Какие свойства называются механическими и как они разделяются
(у цилиндрических образцов надрез обычно выполняют в виде круговой выточки, у полос — в виде центрального отверстия или боковых вырезов). Для многих конструкционных материалов это отношение при статической нагрузке больше единицы, что связано со значительной местной пластической деформацией в вершине надреза. Чем острее надрез, тем меньше локальная пластическая деформация и тем больше доля прямого излома в разрушенном сечении. Хорошо развитый прямой излом можно получить при комнатной температуре у большинства конструкционных материалов в лабораторных условиях, если растяжению или изгибу подвергать образцы массивного сечения (тем толще, чем пластичнее материал), снабдив эти образцы специальной узкой прорезью с искусственно созданной трещиной (рис. 3). При растяжении широкого, плоского образца пластическая деформация затруднена и ограничивается небольшой областью размером 2ry (на рис. 3, б заштрихована), непосредственно примыкающей к кончику трещины. Прямой излом обычно характерен для эксплуатационных разрушений элементов конструкций.
Широкое распространение получили предложенные американским учёным Дж. Р. Ирвином в качестве констант для условий хрупкого разрушения такие показатели, как критический коэффициент интенсивности напряжений при плоской деформации K1C и вязкость разрушения
При этом процесс разрушения рассматривается во времени и показатели K1C(G1C) относятся к тому критическому моменту, когда нарушается устойчивое развитие трещины; трещина становится неустойчивой и распространяется самопроизвольно, когда энергия, необходимая для увеличения её длины, меньше энергии упругой деформации, поступающей к вершине трещины из соседних упруго напряжённых зон металла.
При назначении толщины образца t и размеров трещины 2lтр исходят из следующего требования
Коэффициент интенсивности напряжений К учитывает не только значение нагрузки, но и длину движущейся трещины:
(λ учитывает геометрию трещины и образца), выражается в кгс/мм3/2 или Мн/м3/2. По K1C или G1C можно судить о склонности конструкционных материалов к хрупкому разрушению в условиях эксплуатации.
Для оценки качества металла весьма распространены испытания на ударный о изгиб призматических образцов, имеющих на одной стороне надрез. При этом оценивают ударную вязкость (См. Ударная вязкость) (в кгс․м/см2 или Мдж/м2) — работу деформации и разрушения образца, условно отнесённую к поперечному сечению в месте надреза. Широкое распространение получили испытания на ударный изгиб образцов с искусственно полученной в основании надреза трещиной усталости. Работа разрушения таких образцов ату находится в целом в удовлетворительном соответствии с такой характеристикой разрушения, как K1C, и ещё лучше с отношением
Временна́я зависимость прочности. С увеличением времени действия нагрузки сопротивление пластической деформации и сопротивление разрушению понижаются. При комнатной температуре у металлов это становится особенно заметным при воздействии коррозионной (коррозия под напряжением) или др. активной (эффект Ребиндера) среды. При высоких температурах наблюдается явление ползучести (См. Ползучесть), т. е. прироста пластической деформации с течением времени при постоянном напряжении (рис. 4, а). Сопротивление металлов ползучести оценивают условным пределом ползучести — чаще всего напряжением, при котором пластическая деформация за 100 ч достигает 0,2 %, и обозначают его σ0,2/100. Чем выше температура t, тем сильнее выражено явление ползучести и тем больше снижается во времени сопротивление разрушению металла (рис. 4, б). Последнее свойство характеризуют т. н. пределом длительной прочности, т. е. напряжением, которое при данной температуре вызывает разрушение материала за заданное время (например, σt100, σt1000 и т. д.). У полимерных материалов температурно-временная зависимость прочности и деформации выражена сильнее, чем у металлов. При нагреве пластмасс наблюдается высокоэластическая обратимая деформация; начиная с некоторой более высокой температуры развивается необратимая деформация, связанная с переходом материала в вязкотекучее состояние. С ползучестью связано и др. важное механическое свойство материалов — склонность к релаксации напряжений, т. е. к постепенному падению напряжения в условиях, когда общая (упругая и пластическая) деформация сохраняет постоянную заданную величину (например, в затянутых болтах). Релаксация напряжений обусловлена увеличением доли пластической составляющей общей деформации и уменьшением её упругой части.
Если на металл действует нагрузка, периодически меняющаяся по какому-либо закону (например, синусоидальному), то с увеличением числа циклов N нагрузки его прочность уменьшается (рис. 4, в) — металл «устаёт». Для конструкционной стали такое падение прочности наблюдается до N = (2—5) ․106 циклов. В соответствии с этим говорят о пределе усталости конструкционной стали, понимая под ним обычно амплитуду напряжения
ниже которой сталь при повторно-переменной нагрузке не разрушается. При |σmin| = |σmax| предел усталости обозначают символом σ-1. Кривые усталости алюминиевых, титановых и магниевых сплавов обычно не имеют горизонтального участка, поэтому сопротивление усталости этих сплавов характеризуют т. н. ограниченными (соответствующими заданному N) пределами усталости. Сопротивление усталости зависит также от частоты приложения нагрузки. Сопротивление материалов в условиях низкой частоты и высоких значений повторной нагрузки (медленная, или малоцикловая, усталость) не связано однозначно с пределами усталости. В отличие от статической нагрузки, при повторно-переменных нагрузках всегда проявляется чувствительность к надрезу, т. е. предел усталости при наличии надреза ниже предела усталости гладкого образца. Для удобства чувствительность к надрезу при усталости выражают отношением
характеризует асимметрию цикла). В процессе уставания можно выделить период, предшествующий образованию очага усталостного разрушения, и следующий за ним, иногда довольно длительный, период развития трещины усталости. Чем медленнее развивается трещина, тем надёжнее работает материал в конструкции. Скорость развития трещины усталости dl/dN связывают с коэффициентом интенсивности напряжений степенной функцией:
Различают сопротивление термической усталости, когда появляющиеся в материале напряжения обусловлены тем, что в силу тех или иных причин, например из-за формы детали или условий её закрепления, возникающие при циклическом изменении температуры тепловые перемещения не могут быть реализованы. Сопротивление термической усталости зависит и от многих других свойств материала — коэффициентов линейного расширения и температуропроводности, модуля упругости, предела упругости и др.
Лит.: Давиденков Н. Н., Динамические испытания металлов, 2 изд., Л. — М., 1936; Ратнер С. И., Разрушение при повторных нагрузках, М., 1959; Серенсен С. В., Когаев В. П., Шнейдерович Р. М., Несущая способность и расчеты деталей машин на прочность, 2 изд., М., 1963; Прикладные вопросы вязкости разрушения, пер. с англ., М., 1968; Фридман Я. Б., Механические свойства металлов, 3 изд., М., 1974; Методы испытания, контроля и исследования машиностроительных материалов, под ред. А. Т. Туманова, т. 2, М., 1974.
С. И. Кишкина.
Рис. 1. Схемы деформации при разных способах нагружения: а — растяжение, б — сжатие, в — изгиб, г — кручение (пунктиром показана начальная форма образцов).
Рис. 2. Типичная диаграмма деформации при растяжении конструкционных металлов.
Рис. 3. Образец со специально созданной в вершине надреза трещиной усталости для определения K1C. Испытания на внецентренное (а) и осевое (б) растяжение.
Рис. 4. Изменение механических свойств конструкционных материалов в функции времени (или числа циклов).
Большая советская энциклопедия. — М.: Советская энциклопедия.
1969—1978.
Источник
МЕТАЛЛЫ И СПЛАВЫ
Металлы — непрозрачные вещества, обладающие специфическим металлическим блеском, пластичностью, высокой тепло- и электропроводностью. По последнему свойству металлы легко отличить от других веществ (дерево, стекло и т.д.).
Все металлы и образованные из них сплавы делят на черные, к которым относят железо и сплавы на его основе (на их долю приходится около 95 % производимой в мире металлопродукции), и цветные. В технике принята условная классификация, по которой цветные металлы делят на группы: легкие (А1, Мg), тяжелые (Си, РЬ), тугоплавкие (W, Мо), благородные (Аu, Рt), рассеянные (Gd, In), редкоземельные (Sс, Y), радиоактивные (Rа, U).
Сплавы — это сложные вещества, получаемые сплавлением или спеканием двух или более компонентов. Компоненты — простые вещества (часто это химические элементы), образующие сплав. При сплавлении все компоненты сплава первоначально находятся в жидком состоянии; при спекании, по крайней мере, один из компонентов находится в твердом состоянии. Сплавы могут состоять только из металлов, например латуни — это сплавы двух металлов: меди и цинка, или металлов и неметаллов, так, наиболее распространенные в технике материалы — стали и чугуны являются сплавами железа и углерода. Строение металлического сплава более сложное, чем у чистого металла.
МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА МАТЕРИАЛОВ И МЕТОДЫ ИХ ОПРЕДЕЛЕНИЯ
Общие сведения. 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 ее приложение идет с высокой скоростью.
Испытания могут выполняться при нормальной (комнатной) или повышенной температуре.
Наиболее часто определяемыми механическими характеристиками материалов являются: твердость, пределы прочности и упругости, ударная вязкость. Определяют также пределы выносливости и ползучести. Предел прочности устанавливают в процессе испытаний на растяжение, сжатие, кручение и изгиб.
Предел прочности, предел текучести, относительное удлинение и сужение определяют при испытаниях на растяжение специальных образцов, которые выполняют на разрывных машинах. Образцы помещают в зажимы разрывной машины, затем растягивают до разрушения.
Под действием приложенной нагрузки возникает деформация — изменение размеров образца. Деформация может быть упругой или пластической.
Упругая деформация полностью исчезает после снятия нагрузки и не приводит к заметным изменениям в структуре и свойствах материала.
Пластическая деформация не исчезает после снятия нагрузки (согните алюминиевую проволоку, после того как нагрузка снята, проволока не разогнется — она пластически деформирована).
Определение твердости. Твердость характеризует сопротивление материала большим пластическим деформациям. Наиболее распространенные методы определения твердости связаны с внедрением в испытуемый материал специального тела, называемого индентором, с таким усилием, чтобы произошла пластическая деформация. В материале при этом остается отпечаток индентора, по которому судят о величине твердости. Определение твердости — наиболее распространенный метод исследования свойств материала. Это объясняется рядом причин: определение твердости является неразрушающим методом, так как деталь после такого измерения может быть использована по назначению; испытания на твердость не требуют высокой квалификации; зная твердость, можно судить и о других механических свойствах.
Метод Бринелля. В качестве индентора используется стальной закаленный шарик, который вдавливают в испытуемый образец на специальном прессе. В результате на поверхности образца образуется отпечаток в виде сферической лунки. Диаметр отпечатка измеряют в двух взаимно-перпендикулярных направлениях с помощью микроскопа Бринелля — лупы со шкалой.
На практике пользуются таблицей, в которой указаны значения твердости в зависимости от диаметра отпечатка.
Метод Бринелля не является универсальным. Он не позволяет испытывать материалы с твердостью более 450 НВ (может деформироваться шарик), а также образцы толщиной менее десятикратной глубины отпечатка.
Метод Роквелла. Принципиальное отличие этого метода от рассмотренного ранее заключается в том, что твердость определяется не площадью поверхности отпечатка индентора, а глубиной его проникновения в исследуемый образец.
В качестве индентора используют алмазный конус при испытаниях твердых материалов и стальной закаленный шарик при испытаниях мягких материалов.
Нагрузка при использовании алмазного конуса устанавливается 60 кгс (500 Н) или 150 кгс (1400 Н) в зависимости от твердости материала — большая для менее твердых материалов (например, закаленных сталей), меньшая для материалов с очень высокой твердостью (твердых сплавов, режущей керамики), с тем, чтобы избежать скола алмаза. Стальной шарик вдавливают с нагрузкой 100 кгс (900 Н).
Испытания выполняются на специальном приборе, имеющем черную (С) и красную (В) шкалы. Шкала С используется при испытаниях с помощью алмазного конуса при нагрузке 60 и 150 кгс, шкала В — для шарика с нагрузкой 60 кгс. Числа твердости обозначаются: НRС — алмазный конус, нагрузка 150 кгс; НRА — алмазный конус, нагрузка 60 кгс; НRВ — стальной шарик, нагрузка 100 кгс. Число твердости в единицах НRС примерно в 10 раз меньше, чем в единицах НВ, т.е. твердость 30 НRС примерно соответствует 300 НВ. Между значениями твердости по шкалам С и А имеется следующая зависимость: НRС = 2НRА – 104.
Метод Виккерса. Метод основан на вдавливании четырех-гранной алмазной пирамидки с углом между противоположными гранями, равным 136°. Число твердости обозначается НV (кгс/мм2) и определяется отношением нагрузки к площади поверхности отпечатка. Число твердости вычисляется по формуле НV = 1,854P/2, где с1 — среднее значение длины диагоналей отпечатка.
Нагрузка может изменяться в пределах от 1 до 100 кгс (от 10 до 1000 Н). Величина диагоналей определяется с помощью специального микроскопа, встроенного в прибор. Для измерения очень тонких слоев или отдельных фаз сплава используют метод измерения микротвердости при нагрузке от 1 до 500 г (от 0,01 до 5 Н), которая также определяется в единицах НV. Значения твердости (до 450 НВ) по Бринеллю и Виккерсу практически равны.
Метод Шора. При измерении твердости по Шору используется принцип, отличный от рассмотренных ранее. Твердость оценивают по величине упругой, а не пластической деформации. На поверхность объекта с высоты Нп падает специальный боек. При ударе часть энергии расходуется на пластическую деформацию исследуемого материала. Оставшаяся упругая деформация возвращается бойку в виде упругого отскока на величину H0. При этом сам боек не деформируется, так как оснащен алмазным наконечником. Высота отскока бойка, определяемая величиной упругой деформации, тем больше, чем выше твердость материала.
Твердость определяется по высоте отскока бойка H0. Шкала твердости на приборе Шора разделена на 130 единиц. Она рассчитана таким образом, чтобы твердость закаленной эвтектоидной стали оказалась равной 100 единицам. Эти приборы часто используют для определения твердости непосредственно на деталях, особенно крупногабаритных.
В некоторых случаях, когда применение перечисленных методов невозможно, твердость металла определяют с помощью тарированных напильников из материала с известной максимальной твердостью, пока еще возможно снятие стружки (при большей твердости напильник скользит по поверхности). Этот метод менее точен, но прост и легко применим в цеховых условиях.
Испытания на усталость. Усталостное разрушение металлов происходит в условиях повторяющихся знакопеременных напряжений, значения которых меньше предела прочности. Этот процесс постепенного разрушения — усталость — включается в том, что под действием большого числа циклов переменных нагрузок в наиболее нагруженном или ослабленном меcте металла зарождается, а затем растет трещина, следовательно, площадь сплошного металла постепенно уменьшается, а напряжения возрастают. Наступает момент, когда оставшаяся неповрежденной часть сечения уже не может выдержать приложенной нагрузки, так как действующие напряжения превысили предел прочности, поэтому происходит быстрое разрушение металла.
Свойство материала противостоять усталости называется выносливостью. Наибольшее напряжение, которое выдерживает металл без разрушения при повторении заранее заданного числа циклов, называют пределом выносливости.
Испытание на усталость чаще всего проводят на вращающемся образце с приложением постоянной изгибающей нагрузки. Напряжения в каждой точке образца за один оборот изменяются от положительных (растяжение) до отрицательных (сжатие), т.е. меняются по закону синусоиды.
Испытания выполняются следующим образом. При заданном напряжении определяется количество циклов до разрушения, полученное значение наносится на график. В результате получают кривую усталости.
Источник
Механические свойства характеризуют способность материалов сопротивляться действию внешних сил. К основным механическим свойствам относятся прочность, твердость, ударная вязкость, упругость, пластичность, хрупкость и др.
Прочность — это способность материала сопротивляться разрушающему воздействию внешних сил.
Твердость — это способность материала сопротивляться внедрению в него другого, более твердого тела под действием нагрузки.
Вязкостью называется свойство материала сопротивляться разрушению под действием динамических нагрузок.
Упругость — это свойство материалов восстанавливать свои размеры и форму после прекращения действия нагрузки.
Пластичностью называется способность материалов изменять свои размеры и форму под действием внешних сил, не разрушаясь при этом.
Хрупкость — это свойство материалов разрушаться под действием внешних сил без остаточных деформаций.
При статических испытаниях на растяжение определяют величины, характеризующие прочность, пластичность и упругость материала. Испытания производятся на цилиндрических (или плоских) образцах с определенным соотношением между длиной l0 и диаметром d0. Образец растягивается под действием приложенной силы Р (рис. 1, а) до разрушения. Внешняя нагрузка вызывает в образце напряжение и деформацию. Напряжение σ — это отношение силы Р к площади поперечного сечения F0, МПа:
σ = P/F0,
Деформация характеризует изменение размеров образца под действием нагрузки, %:
ε = [(l1-l0)/l0] · 100,
где l1 — длина растянутого образца.
Деформация может быть упругой (исчезающей после снятия нагрузки) и пластической (остающейся после снятия нагрузки).
При испытаниях стоится диаграмма растяжения, представляющая собой зависимость напряжения от деформации. На рис. 1 приведена такая диаграмма для низкоуглеродистой стали. После проведения испытаний определяются следующие характеристики механических свойств.
Предел упругости σу — это максимальное напряжение при котором в образце не возникают пластические деформации.
Предел текучести σт — это напряжение, соответствующее площадке текучести на диаграмме растяжения (рис. 1). Если на диаграмме нет площадки текучести (что наблюдается для хрупких материалов), то определяют условный предел текучести σ0,2— напряжение, вызывающее пластическую деформацию, равную 0,2 %. Предел прочности (или временное сопротивление) σв — это напряжение, отвечающее максимальной нагрузке, которую выдерживает образец при испытании.
Относительное удлинение после разрыва δ — отношение приращения длины образца при растяжении к начальной длине l0, %:
δ = [(lk-l0)/l0] · 100,
где lк — длина образца после разрыва.
Рис. 1. Статические испытания на растяжение: а – схема испытания;
б – диаграмма растяжения
Относительным сужением после разрыва ψ называется уменьшение площади поперечного сечения образца, отнесенное к начальному сечению образца, %:
ψ = [(F0-Fk)/F0] · 100,
где Fк — площадь поперечного сечения образца в месте разрыва. Относительное удлинение и относительное сужение характеризуют пластичность материала.
Твердость металлов измеряется путем вдавливания в испытуемый образен твердого наконечника различной формы/
Метод Бринелля основан на вдавливании в поверхность металла стального закаленного шарика под действием определенной нагрузки. После снятия нагрузки в образце остается отпечаток. Число твердости по Бринеллю НВ определяется отношением нагрузки, действующей на шарик, к площади поверхности полученного отпечатка.
Метод Роквелла основан на вдавливании в испытуемый образец закаленного стального шарика диаметром 1,588 мм (шкала В) или алмазного конуса с углом при вершине 120° (шкалы А и С). Вдавливание производится под действием двух нагрузок — предварительной равной 100 Н и окончательной равной 600, 1000. 1500 Н для шкал А, В и С соответственно. Число твердости по Роквеллу HRA, HRB и HRC определяется по разности глубин вдавливания.
В методе Виккерса применяют вдавливание алмазной четырехгранной пирамиды с углом при вершине 136°. Число твердости по Виккерсу HV определяется отношением приложенной нагрузки к площади поверхности отпечатка.
Ударная вязкость определяется работой A, затраченной на разрушение образца, отнесенной к площади его поперечною сечения F; Дж/м2:
KC = A/F
Испытания проводятся ударом специального маятникового копра. Для испытания применяется стандартный надрезанный образец, устанавливаемый на опорах копра. Маятник определенной массы наносит удар по стороне противоположной надрезу.
Источник