Какой параметр механических свойств обозначается символом
Способность конструкционного материала сопротивляться воздействию внешних сил состоит из одного или нескольких перечисленных ниже механических свойств: прочность, пластичность, твёрдость, упругость, ударная вязкость, выносливость. Значения предельных напряжений сведены в таблицы, приводимые в технических справочниках, их используют при теоретических расчётах размеров деталей.
Прочность – сопротивление разрушению от внешних нагрузок. Материал детали по разному сопротивляется различным видам нагрузок (например, растяжение и сжатие) и, следовательно, имеет отличные друг от друга числовые значения и обозначения прочности: временное сопротивление разрыву – σВ; растяжение – σР ; сжатие – σС; изгиб – σИ; кручение – σКР; срез – σСР; смятие – σСМ. Измеряется в мегапаскалях (МПа). Буква греческого алфавита строчная, читается «сигма», индекс около неё читается русскими буквами, обозначающими начальные буквы видов нагрузок и произносятся полным названием вида нагрузки в родительном падеже.
Удельная прочность – характеристика конструкционного материала, являющаяся отношением прочности к плотности. Применяется для сравнения свойств материалов в случаях, когда важен малый вес детали (самолёто- и ракетостроение).
Пластичность – изменение формы физического тела под действием внешних сил без признаков разрушения и сохранение её после снятия действия сил. Наличие этого свойства позволяет изготавливать заготовки для деталей пластическим деформированием. Характеризуется двумя показателями:
относительное предельное равномерное удлинение 
, %. Буква читается «дельта», индекс около неё читается русской буквой, обозначающей начальную букву слова «равномерное»;
относительное предельное равномерное сужение 
, %. Буква читается «пси», индекс около неё читается русской буквой, обозначающей начальную букву слова «равномерное».
Твёрдость – сопротивление материала внедрению под нагрузкой в его поверхность другого физического тела. Наличие у материала детали этого свойства достаточной величины позволяет не разрушаться при абразивном изнашивании.
У мягких металлов и древесины твёрдость измеряют вдавливанием в них индентора – стального закалённого шарика и обозначают НВ (твёрдость по Бринеллю). В системе СИ измеряется в Н/мм2, что равно МПа; (старые единицы измерения кгс/мм2 и кгс/см2). «НВ» читается латинскими буквами и звучит «ашбэ».
Для твёрдых металлов в качестве индентора применяют алмазный конус и обозначают HRC (твёрдость по Роквеллу). Измеряется в условных единицах, обозначающих количество расстояния 0,02 мм в размере глубины лунки от вдавливания алмазного конуса в поверхность образца. «НRC» читается латинскими буквами и звучит «ашэрцэ». Единицы измерения не ставятся. Например HRC 60, где число – количество по 0,02 мм.
Твёрдость минералов определяют по специальной шкале минералов (шкале Мооса), в которой из десяти минералов номер 1 (тальк) является самым мягким и на нём легко сделать царапину ногтем, а каждый последующий (2 – гипс, 3 – кальцит, 4 – флюорит, 5 – апатит, 6 – ортоклаз, 7 – кварц, 8 – топаз, 9 – корунд) царапает предыдущий, а номер 10 (алмаз) является самым твёрдым и легко оставляет царапину на стекле
Твёрдость обозначается числом от 1 до 10. Единицы измерения не ставятся.
Упругость – восстановление первоначальной формы физического тела после прекращения действия внешней нагрузки. Каждый конструкционный материал имеет свою величину упругости, измеряемую модулем нормальной упругости Е (МПа), высокое значение которого говорит о высокой жёсткости материала, обеспечивающей весьма малые величины упругой деформации физического тела. Так у сталей Е = 200000 МПа, у меди и чугуна – 100000 МПа, стекло – 70000 МПа, бетон и древесина – 20000 МПа, пластмассы – 2000…5000 МПа, а у каучука Е = 20 МПа.
Ударная вязкость – сопротивление динамическим (ударным) нагрузкам. Обозначают КС (МДж/м2) и измеряют отношением работы А (МДж), затраченной на разрушение образца с полукруглым надрезом по середине длины при ударе, к площади поперечного сечения с надрезом F (м2) образца на специальном испытательном стенде. Наиболее высокое значение ударной вязкости – у сплавов металлов (сталей, содержащих никель). Высокие значения ударной вязкости конструкционного материала позволяют деталям, изготовленным из него, работать долго и надёжно при динамических колебаниях внешних нагрузок. У минеральных и органических материалов она весьма незначительна.
Выносливость – сопротивление материала детали усталости. Усталость присуща только твёрдым и хрупким материалам и является постепенным накоплением трещин при знакопеременных нагрузках в работающем сечении детали вплоть до разрушения. Предел выносливости σВ (МПа) – значение напряжения материала, при котором не происходит разрушения детали при любом количестве циклов нагружения. Обозначение предела выносливости при симметричной нагрузке – σ-1 (МПа). Высокое значение этого механического свойства весьма важно для вращающихся стальных валов, имеющих на себе насадные детали (шестерни, шкивы), передающие нагрузку.
Источник
Механические свойства характеризуют способность материала сопротивляться внешним механическим воздействиям. К основным механическим свойствам относятся прочность, пластичность, твердость, ударная вязкость и др.
Основные характеристики механических свойств сплавов цветных металлов:
Для стальных и железобетонных конструкций применяются углеродистые и низколегированные стали повышенной и высокой прочности. Стали для конструкций классифицируются по способу выплавки, технологии раскисления, химическому составу, способу упрочнения, качеству и назначению, а также по прочности.
По способу выплавки стали делятся на мартеновские, кислородно-конверторные и бессемеровские; по технологии раскисления – на спокойные, полуспокойные и кипящие (в том числе закупоренные кипящие); по способу упрочнения – на холоднодеформированные и термически обработанные (термоупрочненные).
Сталь по назначению подразделяется: на сталь общего назначения – углеродистая горячекатаная обыкновенного качества и сталь разных назначений – углеродистая горячекатаная повышенного качества (низколегированная) и высокой прочности.
Установлены следующие классы прочности стали (по значениям временного сопротивления и предела текучести): С 38/23, С 44/30, С 46/34, С 52/40, С 60/45, С 70/60.
Предел пропорциональности σпц – напряжение, при котором отступление от линейной зависимости между напряжениями и удлинениями достигает некоторой устанавливаемой техническими условиями или стандартом величины (например, уменьшения тангенса угла наклона касательной к диаграмме растяжения по отношению к оси деформаций на 20 или 33% своего первоначального значения).
Предел упругости σуп – напряжение, при котором остаточные удлинения достигают некоторой малой величины, устанавливаемой техническими условиями или стандартом (например, 0,001; 0,01% и т. д.). Иногда предел упругости обозначается соответственно допуску σ0,001; σ0,01 и т. д.
Предел текучести σт для материалов, имеющих площадку текучести (малоуглеродистая сталь), определяется как напряжение, соответствующее нижней точке площадки текучести; для материалов, не имеющих площадки текучести, определяется условный предел текучести σ0,2 – напряжение, при котором остаточное удлинение образца достигает 0,2%.
Временное сопротивление (предел прочности) σв – напряжение, равное отношению наибольшей нагрузки, предшествовавшей разрушению образца, к первоначальной площади сечения образца. Временное сопротивление можно отождествлять с пределом прочности только для хрупких материалов, разрушающихся без образования шейки. Для пластичных материалов это характеристика своеобразной потери устойчивости при растяжении, т. е. характеристика сопротивления значительным пластическим деформациям.
Относительное удлинение при разрыве δ – отношение (обычно в %) приращения расчетной длины образца после разрыва к ее исходной величине. Для длинного круглого образца (lрасч=10d) – δ10; для короткого образца (lрасч=5d) – δ5.
Относительное сужение при разрыве ψ – отношение уменьшения площади наименьшего поперечного сечения образца (после разрыва) к исходной площади поперечного сечения образца.
Условный предел текучести при изгибе σт.и – нормальное напряжение, вычисленное условно по формулам для упругого изгиба, при котором остаточное удлинение наиболее напряженного крайнего волокна достигает 0,2% или другой величины того же порядка соответственно требованиям технических условий.
Временное сопротивление (предел прочности) при изгибе σв.и – нормальное напряжение, вычисленное условно по формулам для упругого изгиба и соответствующее наибольшей нагрузке, предшествовавшей излому образца.
Условный предел текучести при кручении τ0,2, τт – касательное напряжение, вычисленное условно по формулам для упругого кручения, при котором остаточные деформации удлинения или сдвига по поверхности образца достигают 0,2% или другой величины того же порядка соответственно требованиям технических условий.
Временное сопротивление (предел прочности) при кручении τв – касательное напряжение, вычисленное условно по формулам для упругого кручения и соответствующее наибольшему скручивающему моменту, предшествовавшему разрушению образца.
Твердость по Бринеллю НВ – твердость материала, определяемая путем вдавливания в него стального шарика и вычисляемая как частное от деления нагрузки на поверхность полученного отпечатка. Для некоторых материалов существует приблизительно прямая пропорциональность между твердостью НВ и временным сопротивлением; например, для углеродистых сталей σв ≈ 0,36 НВ.
Твердость по Роквеллу HRC, HRB – твердость материала, определяемая путем вдавливания стального шарика или алмазного конуса стандартных размеров и измеряемая в условных единицах с помощью разных шкал по приращению оставшейся глубины погружения при переходе от малого стандартного груза к большому.
Твердость по Виккерсу HV – твердость материала, определяемая путем вдавливания алмазной четырехгранной пирамиды стандартных размеров и вычисляемая как частное от деления стандартной нагрузки на боковую поверхность полученного отпечатка.
Предел ползучести (условный) – длительно действующее напряжение, при котором скорость или деформация ползучести за определенный промежуток Бремени при данной температуре не превышает величины, установленной техническими условиями.
Предел длительной прочности – напряжение, вызывающее разрушение образца после заданного срока его непрерывного действия при определенной температуре.
Предел выносливости – наибольшее периодически изменяющееся напряжение, которое может выдержать материал без разрушения при большом числе циклов, заданном техническими условиями (например, 106; 107; 108). Обозначается при симметричном цикле σ-1 (изгиб), σ-1p (растяжение-сжатие), τ-1 (кручение), при пульсирующем цикле (напряжения меняются от нуля до максимума) соответственно σ0, σ0p и τ0.
Ударная вязкость ak – работа, затраченная на разрушение образца при ударном изгибе, отнесенная к рабочему поперечному сечению образца.
Упругое последействие: прямое – постепенное увеличение деформации после быстрого прекращения роста нагрузки; обратное – сохранение или медленное уменьшение деформации после быстрого снятия нагрузки или остановки разгрузки.
Наклеп – упрочнение металла, происходящее благодаря пластической деформации при процессах холодной обработки (холодной прокатке, вытяжке, волочении).
Старение (механическое) – самопроизвольное длительное изменение механических свойств стали после наклепа, вызванное фазовыми превращениями. Различают естественное старение, протекающее при комнатной температуре, и искусственное старение – при повышенных температурах.
Разрушение стали возможно вязкое (пластичное) – от сдвига, хрупкое – от отрыва. В обоих случаях разрушение состоит в нарушении целостности, в разрыве. Нарушение сплошности может возникнуть при условии накопления энергии, отвечающей величине поверхностной энергии на поверхностях нарушения целостности, и в соответствии с этим расстояние между атомами должно достичь критических величин, при которых происходит нарушение связи между ними.
Работа разрушения – величина всей площади диаграммы растяжения образца в координатах Р-∆l; упругая работа – площадь упругой части той же диаграммы; удельная работа – работа, приходящаяся на единицу объема рабочей части образца и соответствующая площади диаграммы растяжения в координатах σ-ε.
Удельный вес в расчетах принимают равным для стали 7,85, для чугуна 7,2; удельный вес стали с содержанием 0,1% С – 7,06 (в жидком состоянии).
Модуль упругости E стали и другие упругие константы практически не зависят от величины зерна, структуры, соотношений между объемами феррита и перлита, от содержания углерода и других легирующих добавок.
Модуль упругости для прокатной стали, литья, горячекатаной арматуры из сталей марок Ст.5 и Ст.3 Е=2,1·106 кГ/см2; для сталей 30ХГ2С и 25Г2С E=2·106 кГ/см2. Для холоднотянутой круглой и периодического профиля проволоки, а также для холодно-сплющенной арматуры E=1,8·106 кГ/см2.
Для пучков и прядей высокопрочной проволоки (с параллельным расположением проволок) Е=2·106 кГ/см2; для канатов стальных спиральных и канатов (тросов) с металлическим сердечником Е=1,5·104 кГ/см2; для тросов с органическим сердечником E=1,3·106 кГ/см2.
Для отливок из серого чугуна марок СЧ28-48, СЧ24-44, СЧ21-40 и СЧ18-36 E=1·106 кГ/см2.
Модуль сдвига для прокатной стали G=8,4·106 кГ/см2.
Коэффициент Пуассона (коэффициент поперечной деформации) μ=0,3.
Методы определения механических свойств металлов разделяют на:
– статические, когда нагрузка растет медленно и плавно (испытания на растяжение, сжатие, изгиб, кручение, твердость);
– динамические, когда нагрузка растет с большой скоростью (испытания на ударный изгиб);
– циклические, когда нагрузка многократно изменяется по величине и направлению (испытания на усталость).
1. Испытание на растяжение
При испытании на растяжение определяют предел прочности (σв), предел текучести (σт), относительное удлинение (δ) и относительное сужение (ψ). Испытания проводят на разрывных машинах c использованием стандартных образцов с площадью поперечного сечения Fo и рабочей (расчетной) длиной lo. В результате проведения испытаний получают диаграмму растяжения (рис. 1). На оси абсцисс указывается значение деформации, на оси ординат – значение нагрузки, которая прилагается к образцу.
Предел прочности (σв) – это максимальная нагрузка, которую выдерживает материал без разрушения, отнесенная к начальной площади поперечного сечения образца (Pmax/Fo).
Источник
Методы определения механических свойств металлов разделяют на:
– статические, когда нагрузка растет медленно и плавно (испытания на растяжение, сжатие, изгиб, кручение, твердость);
– динамические, когда нагрузка растет с большой скоростью (испытания на ударный изгиб);
– циклические, когда нагрузка многократно изменяется по величине и направлению (испытания на усталость).
Испытание на растяжение
При испытании на растяжение определяют предел прочности (σв), предел текучести (σт),
относительное удлинение (δ) и относительное сужение (ψ). Испытания проводят на разрывных
машинах c использованием стандартных образцов с площадью поперечного сечения Fo и рабочей
(расчетной) длиной lo. В результате проведения испытаний получают диаграмму растяжения
(рис. 1). На оси абсцисс указывается значение деформации, на оси ординат – значение нагрузки,
которая прилагается к образцу.
Предел прочности (σв) – это максимальная нагрузка, которую выдерживает материал без разрушения,
отнесенная к начальной площади поперечного сечения образца (Pmax/Fo).
Рис. 1. Диаграмма растяжения
Необходимо отметить, что 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 Fо образца остается неизменным.
Предел текучести (σт) – это нагрузка, при которой происходит пластическая деформация, отнесенная
к начальной площади поперечного сечения образца (Рт / Fo). Однако при испытаниях на растяжение
у большинства сплавов площадки текучести на диаграммах нет. Поэтому определяется условный предел
текучести (σ0.2) – напряжение, которому соответствует пластическая деформация 0,2%. Выбранное
значение 0,2% достаточно точно характеризует переход от упругих деформаций к пластическим.
К характеристикам материала относят также предел упругости (σпр), под которым подразумевают
напряжение, при котором пластическая деформация достигает заданного значения. Обычно используют
значения остаточной деформации 0,005; 0,02; 0,05%. Таким образом, σ0,05 = Рпр / Fo (Рпр – нагрузка,
при которой остаточное удлинение составляет 0,05%).
Предел пропорциональности σпц = Рпц / Fo (Рпц – максимальная нагрузка, при действии которой еще
выполняется закон Гука).
Пластичность характеризуется относительным удлинением (δ) и относительным сужением (ψ):
δ = [(lk – lo)/lo]∙100% ψ = [(Fo – Fk)/Fo]∙100%,
где lk – конечная длина образца; lo и Fo – начальные длина и площадь поперечного сечения
образца; Fk – площадь поперечного сечения в месте разрыва.
Для малопластичных материалов испытания на растяжение вызывают затруднения, поскольку
незначительные перекосы при установке образца вносят существенную погрешность в определение
разрушающей нагрузки. Такие материалы, как правило, подвергают испытанию на изгиб.
Испытание на твердость
Нормативные документы:
Государственный специальный эталон и государственная поверочная схема для средств измерений твердости по шкалам Бринелля»
Твердость – способность материала оказывать сопротивление проникновению в него другого,
более твердого тела – индентора. Твердость материала определяют методами Бринелля,
Роквелла, Виккерса, Шора (рис.2).
Рис. 2. Схемы определения твердости по Бринеллю(а),
Роквеллу(б) и Виккерсу(в)
Твердость металла по Бринеллю указывается буквами НВ и числом. Для перевода числа твердости
в систему СИ пользуются коэффициентом К = 9,8 • 106, на который умножают значение твердости по
Бринеллю: НВ = НВ • К, Па.
Метод определения твердости по Бринеллю не рекомендуется применять для сталей с твердостью
свыше НВ 450 и цветных металлов с твердостью более 200 НВ.
Для различных материалов установлена корреляционная связь между пределом прочности (в МПа)
и числом твердости НВ: σв ≈ 3,4 НВ – для горячекатаных углеродистых сталей; σв
≈ 4,5 НВ –
для медных сплавов, σв ≈ 3,5НВ – для алюминиевых сплавов.
Определение твердости методом Роквелла осуществляют путем вдавливания в металл алмазного
конуса или стального шарика. Прибор Роквелла имеет три шкалы – А,В,С. Алмазный конус применяют
для испытания твердых материалов (шкалы А и С), а шарик – для испытания мягких материалов
(шкала В). В зависимости от шкалы твердость обозначается буквами HRB, HRC, HRA и выражается в
специальных единицах.
При измерении твердости по методу Виккерса производят вдавливание в поверхность металла (шлифуемую
или полируемую) четырехгранной алмазной пирамиды. Этот метод применяют для определения твердости
деталей малой толщины и тонких поверхностных слоев, которые имеют высокую твердость (например,
после азотирования). Твердость по Виккерсу обозначают HV. Перевод числа твердости HV в систему СИ
производится аналогично переводу числа твердости НВ.
При измерении твердости по методу Шора шарик с индентором падает на образец, перпендикулярно
его поверхности, а твердость определяется по высоте отскока шарика и обозначается HS.
Метод Кузнецова — Герберта — Ребиндера — твёрдость определяется временем
затухания колебаний маятника, опорой которого является исследуемый металл.
Испытание на ударную вязкость
Ударная вязкость характеризует способность материала оказывать сопротивление динамическим
нагрузкам и проявляющейся при этом склонности к хрупкому разрушению. Для испытания на удар
изготовляют специальные образцы с надрезом, которые потом разрушают на маятниковом копре (рис.3).
По шкале маятникового копра определяют работу К, затраченную на разрушение, и рассчитывают
основную характеристику, получаемую в результате этих испытаний – ударную вязкость.
Она определяется отношением работы разрушения образца к площади его поперечного сечения и
измеряется в МДж/м2.
Для обозначения ударной вязкости применяют буквы КС и добавляют третью, которая указывает на
вид надреза на образце: U, V, T. Запись KCU означает ударную вязкость образца с U-подобным
надрезом, KCV – с V-подобным надрезом, а KCT – с трещиной, созданной в основании надреза.
Работа разрушения образца при проведении ударных испытаний содержит две составляющие: работу
зарождения трещины (Аз) и работу распространения трещины (Ар).
Определение ударной вязкости особенно важно для металлов, которые работают при низких
температурах и выявляют склонность к хладноломкости, то есть к снижению ударной вязкости при
понижении температуры эксплуатации.
Рис. 3. Схема маятникового копра и ударного образца
При проведении ударных испытаний образцов с надрезом при низких температурах определяют порог
хладноломкости, который характеризует влияние снижения температуры на склонность материала к
хрупкому разрушению. При переходе от вязкого к хрупкому разрушению наблюдается резкое снижение
ударной вязкости в интервале температур, который имеет название температурный порог хладноломкости.
При этом изменяется строение излома от волокнистого матового (вязкое разрушение) к кристаллическому
блестящему (хрупкое разрушение). Порог хладноломкости обозначают интервалом температур (tв.– tхр.)
или одной температурой t50, при которой в изломе образца наблюдается 50% волокнистой составляющей
или же величина ударной вязкости снижается в два раза.
О пригодности материала к работе при заданной температуре судят по температурному запасу
вязкости, который определяется по разнице между температурой эксплуатации и переходной температурой
хладноломкости, и чем он больше, тем надежнее материал.
Испытание на усталость
Усталость – процесс постепенного накопления повреждений материала под действием
повторно-переменных напряжений, которые приводят к образованию трещин и разрушений.
Усталость металла вызывается концентрацией напряжений в отдельных его объемах (в местах скопления
неметаллических и газовых включений, структурных дефектов). Свойство металла сопротивляться
усталости называется выносливостью.
Испытания на усталость проводят на машинах для повторно-переменного изгибания вращающегося
образца, закрепленного одним или обоими концами, или на машинах для испытаний на растяжение-сжатие,
или на повторно-переменное скручивание. В результате испытаний определяют предел выносливости,
который характеризует сопротивление материала усталости.
Предел выносливости – максимальное напряжение, при действии которого не происходит усталостного
разрушения после базового количества циклов нагружения.
Предел выносливости обозначается σR, где R – коэффициент асимметрии цикла.
Для определения предела выносливости проводят испытания не менее десяти образцов. Каждый
образец испытывают только при одном напряжении до разрушения или при базовом числе циклов. Базовое
число циклов должно быть не ниже 107 нагружений (для стали) и 108 (для цветных металлов).
Важной характеристикой конструкционной прочности является живучесть при циклическом нагружении,
под которой понимают продолжительность эксплуатации детали от момента зарождения первой
макроскопической усталостной трещины размером 0,5…1 мм до окончательного разрушения. Живучесть
имеет особое значение для надежности эксплуатации изделий, безаварийная работа которых
поддерживается путем раннего обнаружения и предотвращения дальнейшего развития усталостных
трещин.
Источник