Механические свойства и методы определения механических свойств

 

Обычно под механическими свойствами металлов понимают  следующие показатели: прочность- сопротивление металла деформации к разрушению, пластичность – способность  металла к остаточной деформации без  разрушения. Малая пластичность или отсутствие ее у  металлов называется хрупкостью.

Механические свойства дают возможность конструкторам и технологам устанавливать пределы нагрузок и определять условия эксплуатации машин.

Численные значения характеристик механических свойств, т.е. значения напряжений или деформаций, получают  в результате механических испытаний. Механические испытания широко используют  для контроля качества изготовления и обработки металлов.

Изменение размеров и формы детали под действием приложенных сил  называется деформацией.  Деформация может быть вызвана воздействием внешних сил, приложенных к телу, или внутренних сил,  возникающих  при физико-механических процессах, протекающих  в самом теле. Возникающие при этом  напряжения в простейшем случае  осевого  растяжения равны

G = P/F,  где Р – сила, Н; F – площадь поперечного сечения, м2.

В теле возникают  нормальные  и касательные напряжения. Следует различать временные (внешние)  напряжения и внутренние.

   Временные напряжения возникают  под  действием  внешней нагрузки и исчезают  после ее снятия.

   Внутренние  напряжения возникают и уравновешиваются в пределах  данного тела без  воздействия  внешних сил.

Образование внутренних напряжений связано  с неравномерным распространением  деформаций  по объему тела. Внутренние напряжения возникают в результате  неравномерного распределения  температур по объему  металла. Например, при быстром нагреве и охлаждении  металла происходит неоднородное расширение (сжатие)  внешних и внутренних слоев металла. Такие напряжения  называются тепловыми. Кроме того,  внутренние напряжения могут возникать вследствие  фазовых превращений  при термической обработке. Эти напряжения называются фазовыми.

Внутренние напряжения  классифицируют по следующему принципу:

Напряжения ׀ рода,  уравновешивающиеся в объеме своего тела, так называемые макронапряжения;

Напряжения ׀׀ рода, уравновешивающиеся в объеме одного зерна (кристаллита) или нескольких блоков, так  называемые микронапряжения;

Напряжения ׀׀׀ рода, уравновешивающиеся в объемах,  порядка размеров кристаллической ячейки – субмикроскопическое.

Внутренние напряжения оказывают  большое  влияние на свойства металлов и превращения,  протекающие в них.

Деформация может быть упругой и пластической.

   Упругой  называется деформация, которая  полностью снимается  после  прекращения  действия внешних  сил. Упругая деформация не приводит к заметным  изменениям  в структуре и свойствах металла.

Величина  упругого растяжения очень мала и  линейно зависит от нагрузки согласно закону Гука(рис. 1).

зависимость деформации от нагрузки

G = E ·  Δl / l,  где Δl / l – относительная упругая деформация кристалла, Е – модуль упругости,  характеризующий  жесткость  металла, т.е.  его сопротивление упругим деформациям, Н/м2.

Модуль упругости зависит  от межатомных сил связи и не зависит от структуры металла.

Если после снятия внешней нагрузки  тело не  восстанавливает  первоначальную форму,  то возникает  остаточная или пластическая деформация.

   Пластическая  деформация связана с образованием и перемещением  дислокаций и может осуществляться скольжением и двойникованием.

Если напряжение при деформации  достигает  предельной величины, то  происходят разрушения металла. Различают два вида разрушения: хрупкое и вязкое.

При хрупком  разрушении нарушаются межатомные связи и отсутствует  пластическая деформация. Обычно хрупкое разрушение происходит  по границам  зерен и излом имеет кристаллический характер.  Однако чисто хрупкое разрушение практически не встречается.

Вязкому  виду разрушения предшествует значительная пластическая деформация. Излом волокнистый, так как разрушение происходит по телу  зерна. Чаще всего  разрушение металла носит сложный характер.

Определение твердости

   Под твердостью понимают  свойство металлов  оказывать  сопротивление  пластической деформации. Твердость – одна из наиболее распространенных  характеристик, позволяющих  судить о качестве металлов и сплавов без их разрушения.

Часто только по твердости определяют годность  полуфабрикатов и готовых изделий.

Широкое распространение методов измерений  твердости объясняется следующими причинами: быстротой1 оценки качества  изделий, отсутствием разрушения  изделий и порчи поверхности.

Для определения твердости  применяются  методы вдавливания, отскакивания бойка, царапания.

Измерение твердости по Бринеллю

При определении твердости по Бринеллю  в плоскую  поверхность  металла вдавливают под  постоянной нагрузкой  стальной твердый шарик диаметром 2,5;5; и 10 мм (рис2).

схема определения твердости по Бринеллю

   Числом твердости по Бринеллю называют  отношение  нагрузки, передаваемой через шарик на образец, к площади поверхности сферического отпечатка шарика. Твердость по Бринеллю можно определить по  формуле

HB= 2P/ πD (D-√D2 – d2), где, Р – нагрузка, Н, D – диаметр шарика, мм; d – диаметр отпечатка, мм.

Практически для определения твердости  измеряют диаметр лунки d (рис 3)

схема измерения диаметра отпечатка лупой Бринелля

и находят по ней  число твердости в специальных таблицах.

Метод Бринелля не рекомендуется применять для  металлов твердостью более HB 450, так как стальной  шарик может деформироваться и результаты  будут искажаться. Между числом  твердости по Бринеллю НВ  и пределом прочности Gв при растяжении  существует  следующее соотношение,  полученные эмпирическим  путем:

Сталь (НВ 125-175)НВ 0,343
Сталь (НВ>175)HB 0.362
Алюминиевое литьеНВ 0,26
Бронза и латунь отожженныеНВ 0,55
Серый чугунНВ -40 / 6
Цинковые сплавыНВ 0,19

 

Твердость по Бринеллю определяют на прессах с гидравлическим или механическим приводом.

Измерение твердости по Роквеллу

При испытаниях твердости по Роквеллу в испытываемый  образец вдавливают алмазный конус  с углом при вершине  120ᴼ или стальной шарик  диаметром 1,59 мм ( 1/16»).

Алмазный конус применяют  для испытания твердых металлов, а шарик – для мягких металлов.  Толщина образца для испытания по Роквеллу – должна быть не менее 1,5 мм.

Конус и шарик вдавливают двумя последовательными нагрузками:  предварительной,  равной 100 Н, и основной, равной 100 Н для шарика (шкала В), 1400Н для алюминиевого  конуса (шкала С) и 500 Н для  алмазного конуса  при испытании  очень твердых  и более тонких  материалов (шкала А).

Твердость по Роквеллу определяют  в условных единицах  и обозначают: HRA70. HRC62  и т.д. Цифры указывают  твердость по соответствующей шкале.

В некоторых случаях измерения проводят  на приборах «Супер-Роквелл» с предварительной нагрузкой 30 Н и общей 450, 300 или 150Н.

Метод Роквелла  благодаря своей простоте  и скорости измерения, высокой точности и небольшой величине отпечатка получил  широкое применение в промышленности.

 Измерение твердости по Виккерсу

   Твердость определяют  вдавливанием в испытуемый металл с полированной или шлифованной поверхностью четырехгранной алмазной пирамиды с углом  при вершине 136ᴼ. Полученный отпечаток имеет форму ромба ( рис 4).

схема измерения диагонали отпечатка

   Твердость по Виккерсу определяют как удельное  давление, приходящееся на единицу  поверхности отпечатка:

HV =(2Psin · α/2)/d2 = 1.8544 · P/d2,

Где, Р – нагрузка на пирамиду (50,100,200,300,500,1000 или 1200Н); α – угол между  противоположными  гранями пирамиды (α=136ᴼ); d – среднее арифметическое двух  диагональных отпечатков, измеряемых после  снятия нагрузки при помощи специального микроскопа, мм.

Этот метод широко применяется для определения  твердости деталей  малой толщины и тонких  поверхностных слоев, имеющих высокую твердость.

Особенностью этого метода, препятствующей  широкому его применению в цеховых условиях, является  необходимость тщательного приготовления поверхности испытуемого образца. Числа твердости по Бринеллю  и Виккерсу до 400 единиц совпадают. При большей твердости  числа твердости по Виккерсу превышают  числа  твердости по Бринеллю.

Определение микроструктуры осуществляется прибором ПМТ-3 или ПМТ-5,  сочетающим в себе механизм  для вдавливания пирамиды и металлографический микроскоп. Этот метод используется для измерения  твердости очень тонких  слоев  и отдельных  структурных  составляющих. Для  измерения поверхность  испытуемого  образца подвергается электрополировке или  механической полировке.

Описанные выше методы измерения твердости  основаны на пластической деформации испытуемого  материала. Однако возможно использование упругой деформации испытуемого материала.

 Измерение твердости методом Шора

При измерении твердости по Шору груз  вместе с укрепленным на нем индентором (обычно это стальной шарик)  падает с высоты Нп на образец перпендикулярно его поверхности (рис 5.).

схема замера твердости по Шору

Твердость по Шору определяется по высоте отскока шарика Но (груз с индентором). Шкала твердости разделена на 130 единиц. Она рассчитана таким образом, что твердость закаленной  эвтектоидной стали оказывается равной 100 единицам. Эти приборы используются для экспресс-анализов. Между  твердостью по Шору и другими методами нет никакой взаимосвязи.

В некоторых случаях, когда применение  перечисленных методов невозможно, твердость определяется  с помощью тарированных напильников. Этот метод  менее точен, но прост и легко применим в цеховых условиях.

Определение ударной вязкости

Определение ударной вязкости способствует  выявлению склонности металла к разрушению при  динамическом напряжении. Ударные испытания относительно легко выявляют  многие структурные изменения,  связанные с охрупчиванием материала ( изменение величины зерна,  выпадение дисперсных фаз,  появление  флокенов и т.д.). Испытания на удар  часто  применяют в заводской практике для  оценки правильности  режимов  проводимой обработки и качества металла.  Для определения ударной вязкости  используют образцы с надрезом пяти  типов (׀-V).

Образец с надрезом  устанавливается на маятниковом копре на двух  опорах так, чтобы удар  маятника  происходил против  прорези (рис.6).

схема испытания на удар

 

Маятник поднимается  на высоту h1 и при падении разрушает образец,  поднимаясь на высоту h2 . Работа, затраченная на разрушение  образца, определяется по формуле

Ан =GL(cos α1 – cos α2),

Где G – масса маятника, H,l – длина маятника, м, α1 – угол подъема маятника перед ударом, α2 – угол подъема маятника после разрушения образца.

Для упрощения пользуются специальными таблицами, в которых для каждого угла α2 указана величина работы удара Ан.

Зная работу разрушения образца, можно определить ударную вязкость

Aн = Ан/f,

Где f – площадь поперечного сечения образца в месте надреза до испытания, м2, Ан – работа, затраченная на разрушение образца, Н·м.

В качестве основного используется образец типа ׀. При испытании  образцов типа ׀׀ и ׀׀׀ к символу ап добавляют индекс, указывающий глубину надреза в миллиметрах (ап3.ап5), типа ׀V – угол раскрытия  надреза, типа V  — индекс «т» (ан.т).  Ударная вязкость складывается  из двух составляющих, так как  при ее определении измеряется сопротивление  зарождению и развитию трещины разрушения.

ан = аз + ар,

где, аз – работа зарождения трещины, ар – работа распространения трещины.

Эти составляющие по разному зависят от структурного состояния материала и многих внешних факторов. Ввиду того что переход металла к крупному  разрушению в значительной степени определяется работой  развития трещины, то при ударных испытаниях  лучше определять ар. Работа ар характеризует сопротивление металла начавшемуся разрушению и слабо  зависит от остроты надреза.  Из двух материалов  с равными ан  более надежным будет тот, у которого ар больше,  следовательно работа характеризует надежность  материала.

Существует несколько методов разложения ан на составляющие. Разрушение образцов может быть хрупким или вязким. Хрупкое разрушение  происходит путем отрыва и не  сопровождается  заметной пластической деформацией. Вязкому  разрушению  предшествует значительная  пластическая  деформация.

Для хрупкого  разрушения типична большая скорость распространения  трещины и отсутствие пластической  деформации при ее распространении. Трещина движется вследствие накопленной энергии.  Для вязкого разрушения характерна малая скорость  распространения  трещины и значительная пластическая деформация при ее движении.  Вид разрушения определяют  в результате изучения изломов (фрактография).

У многих металлов и сплавов (в первую очередь имеющих объемно-центрированную кубическую  и гексагональную решетку) с понижением температуры  наблюдается  переход от вязкого  разрушения к хрупкому, проявляющийся в снижении ударной  вязкости и изменении  характера излома. Температурный интервал  изменения характера  разрушения называется порогом  хладноломкости  или критической  температурой хрупкости.  В зависимости от структурного состояния металла и уровня  прочности переход  к хрупкому разрушению  может быть плавным или резким.  На рис. 7  показана  температурная зависимость  ударной вязкости  крупнозернистой и мелкозернистой  стали.

температурный порог хладноломкости крупнозернистой и мелкозернистой стали

   Различают верхнюю Тв и нижнюю Тн  границы порога  хладноломкости. В этом интервале температур  происходит  переход от  вязкого  волокнистого излома к хрупкому  кристаллическому.  Часто порог  хладноломкости определяют по температуре испытания, при которой в изломе  имеется 50%  вязкой волокнистой  составляющей Т50. Чем выше порог хладноломкости, тем больше склонность металла к хрупкому разрушению.  Изделия следует эксплуатировать  при температурах выше порога  хладноломкости, когда  крупное  разрушение  исключается.

На порог хладноломкости оказывают влияние  величина зерна,  химический состав,   масштабный фактор (размеры изделия),  концентраторы напряжений,  скорость нагружения и т.д.

Вязкость разрушения

Более полную информацию о вязкости металлов дают испытания на вязкость разрушения. Она характеризуется величиной  коэффициента  интенсивности  напряжений К в вершине трещин или силой G,  необходимой для продвижения  трещины на единицу длины;  К и G  связаны между собой соотношениями:

К2 =EG – для плосконапряженного состояния;

К2 =EG/1 — µ2 – для  плоскодеформированного состояния.

Где µ — коэффициент Пуансона (для металлов – 0,3). Плосконапряженное состояние характеризуется отсутствием напряжения по  толщине образца, т.е. оно равно  нулю. Разрушение происходит  посредством сдвига.

Для плоскодеформированного состояния  характерно  отсутствие  деформации по толщине образца и  разрушение происходит путем  отрыва.

При испытаниях на вязкость разрушения строят  диаграммы, показывающие зависимость  прироста  длины  трещины от приложенного напряжения.

Величину К используют в расчетах. Зная ее, можно  определить величину  разрушающих  напряжений в зависимости от  формы и длины  трещины, и, наоборот,  зная  рабочее напряжение в детали, можно  предсказать  длину трещины, по  достижению  которой   произойдет  разрушение.  Значение коэффициента интенсивности  напряжений  в момент перехода к  самопроизвольному разрушению  обозначают Кс (для условий плоского напряженного  состояния) или К (для условий плоской деформации) и называют  критическим  коэффициентом  интенсивности напряжений. Коэффициент К определяют на  массивных образцах (рис.8).

вид образца для определения вязкости разрушения

 

Практически  толщина образца должна  удовлетворять  следующему соотношению:

b≥2.5(К/G 0.2)2.

Критические значения Кс и К называют вязкостью разрушения.

Испытание на растяжение

Этот вид испытания  получил широкое распространение. Для испытания применяют  стандартные образцы (рис. 9).

образцы для испытания на растяжение

 

Применяемые машины имеют  приборы для записи  диаграмм  растяжения, т.е.  изменения длины образца в  зависимости от  приложенной нагрузки.

Диаграммы растяжения показаны на рис. 10.

диаграммы растяжения условных и истинных напряжений

В начале  испытания при приложении относительно  небольших  нагрузок  удлинение образца происходит пропорционально  нагрузке до  некоторой силы Рпц. Напряжение,  возникающее при этой нагрузке,  называется пределом прочности.

Gпц = Рпц/Fo.

Напряжения,  которые не  превышают  предел  пропорциональности, вызывают только упругие деформации, которые  исчезают после снятия нагрузки.  Поэтому предел пропорциональности  на практике  отождествляют  с  пределом упругости. Часто предел упругости определяют  или напряжение, при котором  получается (возникает)  остаточная деформация от  первоначальной длины. Например , 0,01% (G0.01). 0.02 (G0.02).

Предел упругости является  важной  характеристикой,  так как определяет  сопротивление металла малым  пластическим деформациям.

Увеличение нагрузки выше Рпц сопровождается  нарушением  линейной зависимости между нагрузкой и удлинением. При некотором значении Р  на диаграмме  можно наблюдать  горизонтальную площадку,  свидетельствующую о том, что  происходит удлинение (течение)  металла без  увеличения нагрузки.

Напряжение, при котором происходит  произвольное течение металла,  называется пределом текучести

Gт = Рт/Fо.

Наиболее четко  горизонтальная площадка текучести  наблюдается при растяжении  технического железа, а у  большинства металлов она  выражена менее ярко. В этом  случае предел текучести (условный) определяется как напряжение, при котором  образец получает  остаточное удлинение равное 0,2% от первоначальной расчетной  длины (G0.2). Предел текучести служит показателем  прочности и применяется для  расчета  допускаемых  напряжений в машиностроении.

При более высоких нагрузках происходит  значительная  пластическая деформация металла и его  разрушение. Напряжение,  соответствующее нагрузке,  вызывающей разрушение металла, называют  пределом прочности.

Gв = Рв/Fo.

При испытаниях на  растяжение происходит  местная  пластическая деформация образца,  что  позволяет  определить  характеристики пластичности:  относительное удлинение и относительное сужение.

Относительное удлинение

   Относительное удлинение δ представляет собой  отношение  приращение длины образца после его  разрыва к  первоначальной расчетной  длине lo  и выражается в  процентах.

Δ =l-lo/lo · 100.

Где l – длина образца после  разрыва.

Под относительным сужением  ψ  понимают  относительное  уменьшение поеречного сечения разорванного образца к  первоначальной площади  поперечного  сечения, выраженного в процентах,

Ψ =Fo-Fk/Fo  · 100,

Где, Fo –площадь поперечного сечения в месте разрыва.

Для пластичных материалов  характеристикой  сопротивления разрушению служит  истинный предел прочности

Sk =Pk/Fo,

Где, Sk  — истинное напряжение в момент  разрушения, мПа, Рк  — усилие в момент разрушения, Y. Fk – площадь  сечения в месте разрыва, м2.

Хрупкие материалы подвергаются  статическим  испытаниям на сжатие (чугун),  изгиб и кручение (закаленные  инструментальные и конструкционные стали).

 

Источник: «Термическая обработка металлов»   В.М. Зуев.