Механические свойства, определяемые при статических нагрузках

Механические свойства материалов

Механические свойства металлов характеризуют сопротивление материала деформации, разрушению или особенность его поведения в процессе разрушения. Эта группа свойств включает показатели прочности, жесткости (упругости), пластичности, твердости и вязкости. Основную группу таких показателей составляют стандартные характеристики механических свойств, которые определяют в лабораторных условиях на образцах стандартных размеров. Полученные при таких механических испытаниях показатели меха­нических свойств оценивают поведение материалов под внешней нагрузкой без учета конструкции детали и условий их эксплуатации. Кроме того, дополнительно определяют показатели конструкционной прочности, находящиеся в наибольшей корреляции со служебными свойствами кон­кретного изделия, и оценивают работоспособность материала в условиях эксплуатации.

Механические свойства, определяемые при статических нагрузках

Статические испытания предусматривают медленное и плавное на­растание нагрузки, прилагаемой к испытываемому образцу. По способу приложения нагрузок различают статические испытания на растяжение, сжатие, изгиб, кручение, сдвиг или срез. Наиболее распространены испы­тания на растяжение (ГОСТ 1497 – 88), которые дают возможность опре­делить несколько важных показателей механических свойств.

Испытания на растяжение. При растяжении стандартных образцов с площадью поперечного се­чения F₀ рабочей (расчетной) длиной l₀ строят диаграмму растяжения в координатах нагрузка – удлинение образца (рис. 1.20). На диаграмме вы­деляют участки: упругой деформации до нагрузки P_упр, равномерной пластической от P_упр до P_max и сосредоточенной пластиче­ской деформации от P_max до P_к. Прямолинейный участок сохраняется до нагрузки, соответствующей пределу пропорциональности P_пц. Тангенс угла наклона прямолинейного участка характеризует модуль упругости первого рода Е.

На небольшом участке от P_пц до P_упр нарушается линейная зависи­мость между P и ∆l из-за упругих несовершенств материала, связанных с дефектами решетки.

Пластическое деформирование выше P_упр идет при возрастающей на­грузке, так как металл в процессе деформирования упрочняется. Упроч­нение металла при деформировании называется наклепом.

Наклеп металла увеличивается до момента разрыва образца, хо­тя растягивающая нагрузка при этом уменьшается от Р_max до Р_к (рис. 1.20, а), что объясняется появлением в образце местного утонения – шейки, в которой в основном сосредоточивается пластическая деформа­ция. Несмотря на уменьшение нагрузки, растягивающие напряжения в шейке повышаются до тех пор, пока образец не разорвется. Об этом сви­детельствует диаграмма истинное напряжение – деформация (рис. 1.20, б).

Рис. 1.20. Диаграмма растяжения пластичного металла (а) и диаграммы условных напряжений пластичного (б) и хрупкого (в) металлов. Диаграмма истинных напряжений (штриховая линия) дана для сравнения

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 F₀ образца остается неизменным. Напряжения σ_упр, σ_т и σ_в – стандартные характеристики прочности. Каждая получается деле­нием соответствующей нагрузки P_упр, P_т и P_max на начальную площадь поперечного сечения F₀.

Пределом упругости σ_упр называют напряжение, при котором пласти­ческая деформация достигает заданного значения, установленного услови­ями. Обычно используют значения остаточной деформации 0,005; 0,02 и 0,05%. Соответствующие пределы упругости обозначают σ_0,005; σ_0,02; σ_0,05.

Предел упругости важная характеристика пружинных материа­лов, которые используют для упругих элементов приборов и машин.

Условный предел текучести – напряжение, которому соответ­ствует пластическая деформация 0,2%; его обозначают σ_0,2 Физиче­ский предел текучести σ_т определяют по диаграмме растяжения, когда на ней имеется площадка текучести. Однако при испытаниях на растя­жение большинства сплавов площадки текучести на диаграммах нет. Вы­бранная пластическая деформация 0,2 % достаточно точно характеризует переход от упругих деформаций к пластическим, а напряжение σ_0,2 не­сложно определить при испытаниях независимо от того, имеется или нет площадка текучести на диаграмме растяжения.

Временное сопротивление характеризует максимальную несущую способность материала и его прочность, предшествующую разрушению:

. (1.3)

Пластичность характеризуется относительным удлинением δ и относительным сужением ψ:

; , (1.4)

где l_k – конечная длина образца; l₀ и F₀ – начальная длина и площадь поперечного сечения образца; F_к – площадь поперечного сечения в месте разрыва.

Допустимое напряжение, которое используют в расчетах, выбирают меньше σ_0,2 (обычно в 1,5 раза) или меньше σ_в (в 2,4 раза).

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

Испытания на изгиб. При испытании на изгиб в образце возникают как растягивающие, так и сжимающие напряжения. По этой причине изгиб более мягкий способ нагружения, чем растяжение. На изгиб испытывают малопластич­ные материалы: чугуны, инструментальные стали, стали после поверх­ностного упрочнения, керамику. Испытания проводят на образцах боль­шой длины (l: h > 10) цилиндрической или прямоугольной формы, ко­торые устанавливают на две опоры (рис. 1.21). Используют две схемы на­гружения: сосредоточенной силой (этот способ применяют чаще) и двумя симметричными силами (испытания на чистый изгиб). Определяемыми характеристиками служат предел прочности и стрела прогиба.

Предел прочности при изгибе вычисляют по формуле

, (1.5)

где М – наибольший изгибающий момент; W – момент сопротивления сечения, для образцов круглого сечения W = π · d²/32 (где d – диаметр образца), а для образцов прямоугольного сечения W = bh²/6 (где b, h – ширина и высота образца).

Для пластичных материалов испытания на изгиб не применяют, так как образцы изгибаются без разрушения до соприкосновения обоих концов.

Рис. 1.21. Схема испытаний на сосредоточенный (а) и чистый (б) изгиб

Испытания на твердость. Под твердостью понимается способность материала сопротивляться внедрению в его поверхность твердого тела (индентора). В качестве индентора используют закаленный стальной шарик или алмазный нако­нечник в виде конуса или пирамиды. При вдавливании поверхностные слои материала испытывают значительную пластическую деформацию. После снятия нагрузки на поверхности остается отпечаток. Особенность происходящей пластической деформации состоит в том, что она протека­ет в небольшом объеме и вызвана действием значительных касательных напряжений, так как вблизи наконечника возникает сложное напряженное состояние, близкое к всестороннему сжатию. По этой причине пластиче­скую деформацию испытывают не только пластичные, но и хрупкие матери­алы.

Таким образом, твердость характеризует сопротивление материала пластической деформации. Такое же сопротивление оценивает и предел прочности, при определении которого возникает сосредоточенная дефор­мация в области шейки. Поэтому для целого ряда материалов численные значения твердости и временного сопротивления пропорциональны. От­меченная особенность, а также простота измерения позволяют считать испытания на твердость одним из наиболее распространенных видов ме­ханических испытаний. На практике широко применяют четыре метода измерения твердости.

Твердость по Бринеллю. При этом стандартном (ГОСТ 9012), методе измерения твердости в поверхность образца вдавливают закален­ный стальной шарик диаметром 10; 5 или 2,5 мм при действии нагрузки от 5000 Н до 30000 Н. После снятия нагрузки на поверхности образуется отпечаток в виде сферической лунки диаметром d (рис. 1.22, а). Диаметр лунки измеряют лупой, на окуляре которой нанесена шкала с делениями. Число твердости по Бринеллю НВ определяют делением нагрузки Р на площадь поверхности сферического отпечатка:

, (1.6)

где D – диаметр вдавливаемого шарика, мм.

Число твердости по Бринеллю по ГОСТ 9012 записывают без единиц измерения.

На практике при измерении твердости расчет по фор­муле (1.6) не производят, а используют заранее составленные таблицы, указы­вающие значение НВ в зависимости от диаметра отпечатки и выбранной нагрузки. Чем меньше диаметр отпечатка, тем выше твердость.

Рис. 1.22. Схемы определения твердости по Бринеллю (а) и Виккерсу (б)

Способ измерения по Бринеллю не является универсальным. Его ис­пользуют для материалов малой и средней твердости: сталей с твердо­стью меньше 450 НВ, цветных металлов с твердостью меньше 200 НВ и т.п. Для них установлена корреляционная связь между временным сопротивлением (в МПа) и числом твердости НВ: σ_в ≈ 3,4НВ – для горячеката­ных углеродистых сталей, σ_в ≈ 4,5НВ – для медных сплавов, σ_в ≈ 3,5 НВ – для алюминиевых сплавов.

Твердость по Виккерсу. При стандартном методе измерения твердости по Виккерсу (ГОСТ 2999) в поверхность образца вдавливают четырехгранную ал­мазную пирамиду с углом при вершине 136°. Отпечаток получа­ется в виде квадрата (рис. 1.22, б), диагональ которого измеряют по­сле снятия нагрузки, число твер­дости вычисляют по формуле

, (1.7)

где P в Н, d в мм.

На практике число твердости определяют по специаль­ным таблицам в зависимости от величины диагонали отпечатка при выбранной нагрузке.

Метод Виккерса применяют главным образом для материалов, име­ющих высокую твердость, а также для испытания на твердость деталей малых сечений или тонких поверхностных слоев. Как правило, использу­ют небольшие нагрузки: 10, 30, 50, 100, 200, 500 Н. Чем тоньше сечение стали или исследуемый слой, тем меньше выбирают нагрузку.

Числа твердости по Виккерсу и Бринеллю для материалов, имею­щих твердость до 450 НВ, практически совпадают.

Твердость по Роквеллу. Этот метод измерения твердости (ГОСТ 9013) наиболее универсален и наименее трудоемок. Здесь не нужно измерять размеры отпечатка, так как число твердости отсчитывают не­посредственно по шкале твердомера. Число твердости зависит от глубины вдавливания наконечника, в качестве которого используют алмазный ко­нус с углом при вершине 120° или стальной шарик диаметром 1,588 мм. Нагрузку выбирают в зависимости от материала наконечника. Для различных комбинаций нагрузок и наконечников прибор Роквелла имеет три измерительных шкалы: А, В, С. Твердость по Роквеллу обозначают ци­фрами, определяющими уровень твердости, и буквами HR с указанием шкалы твердости, например, 70 НRА, 58 НRС, 50 НRВ.

Шкала А (наконечником служит алмазный конус, общая нагрузка 600 Н). Эту шкалу применяют для особо твердых материалов, для тонких листо­вых материалов или тонких (0,5 – 1,0 мм) слоев. Измеренную твердость обозначают НRА. Пределы измерения твердости по этой шкале 70 – 85.

Шкала В (наконечник – стальной шарик, общая нагрузка 1000 Н). По этой шкале определяют твердость сравнительно мягких материалов (< 400 НВ). Пределы измерения твердости по шкале В 25 – 100.

Числа твердости по Роквеллу не имеют точных соотношений с чи­слами твердости по Бринеллю и Виккерсу.

Шкала С (наконечник – алмазный конус, общая нагрузки 1500 Н). Эту шкалу используют для твердых материалов (> 450 НВ), например закаленных сталей. Измеренную твердость обозначают НRС. Пределы измерения твердости по этой шкале 20 – 67.

Микротвердость. Метод стандартизован (ГОСТ 9450). Ми­кротвердость определяют вдавливанием в поверхность образца алмазной пирамиды при небольших нагрузках (0,05 – 5 Н) и измерением диагона­ли отпечатка. Число твердости Н определяют по той же формуле, что и вычисление числа твердости по Виккерсу. Методом определения микро­твердости оценивают твердость отдельных зерен, структурных составля­ющих, тонких слоев или тонких деталей.

Дата добавления: 2015-08-13