К основным механическим свойствам относят прочность, пластичность, твердость, ударную вязкость и упругость. Большинство показателей механических свойств определяют экспериментально растяжением стандартных образцов на испытательных машинах.

Прочность - способность металла сопротивляться разрушению при действии на него внешних сил.

Пластичность - способность металла необратимо изменять свою форму и размеры под действием внешних и внутренних сил без разрушения.

Твердость - способность металла сопротивляться внедрению в него более твердого тела. Твердость определяют с помощью твердомеров внедрением стального закаленного шарика в металл (на приборе Бринелля) или внедрением алмазной пирамиды в хорошо подготовленную поверхность образца (на приборе Роквелла). Чем меньше размер отпечатка, тем больше твердость испытуемого металла. Например, углеродистая сталь до закалки имеет твердость 100 . . . 150 НВ (по Бринеллю) , а после закалки - 500 . . . 600 НВ.

Ударная вязкость - способность металла сопротивляться действию ударных нагрузок. Эта величина, обозначаемая КС (Дж/см 2 или кгс м/см), определяется отношением механической работы А, затраченной на разрушение образца при ударном изгибе, к площади поперечного сечения образца.

Упругость - способность металла восстанавливать форму и объем после прекращения действий внешних сил. Эта величина характеризуется модулем упругости Е (МПа или кгс/мм 2), который равен отношению напряжения а к вызванной им упругой деформации . Высокой упругостью должны обладать стали и сплавы для изготовления рессор и пружин.

Механические свойства металлов

Под механическими свойствами понимают характеристики, определяющие поведение металла (или другого материала) под действием приложенных внешних механических сил. К механическим свойствам обычно относят сопротивление металла (сплава) деформации (прочность) и сопротивление разрушению (пластичность, вязкость, а также способность металла не разрушаться при наличии трещин).

В результате механических испытаний получают числовые значения механических свойств, т. е. значения напряжений или деформаций, при которых происходят изменения физического и механического состояний материала.

Оценка свойств

При оценке механических свойств металлических материалов различают несколько групп их критериев.

1. Критерии, определяемые независимо от конструктивных особенностей и характера службы изделий. Эти критерии находятся путем стандартных испытаний гладких образцов на растяжение, сжатие, изгиб, твердость (статические испытания) или на ударный изгиб образцов с надрезом (динамические испытания).
2. Прочностные и пластические свойства, определяемые при статических испытаниях на гладких образцах хотя и имеют важное значение (они входят в расчетные формулы) во многих случаях не характеризуют прочность этих материалов в реальных условиях эксплуатации деталей машин и сооружений. Они могут быть использованы только для ограниченного числа простых по форме изделий, работающих в условиях статической нагрузки при температурах, близких к нормальной.
3. Критерии оценки конструктивной прочности материала, которые находятся в наибольшей корреляции со служебными свойствами данного изделия и характеризуют работоспособность материала в условиях эксплуатации.

Конструкторская прочность металлов

Критерии конструктивной прочности металлических материалов можно разделить на две группы:

• критерии, определяющие надежность металлических материалов против внезапных разрушений (вязкость разрушения, работа, поглощаемая при распространении трещин, живучесть и др.). В основе этих методик, использующих основные положения механики разрушения, лежат статические или динамические испытания образцов с острыми трещинами, которые имеют место в реальных деталях машин и конструкциях в условиях эксплуатации (надрезы, сквозные отверстия, неметаллические включения, микропустоты и т. д.). Трещины и микронесплошности сильно меняют поведение металла под нагрузкой, так как являются концентраторами напряжений;
• критерии, которые определяют долговечность изделий (сопротивление усталости, износостойкость, сопротивление коррозии и т. д.).

Критерии оценки

Критерии оценки прочности конструкции в целом (конструкционной прочности), определяемые при стендовых, натурных и эксплуатационных испытаниях. При этих испытаниях выявляется влияние на прочность и долговечность конструкции таких факторов, как распределение и величина остаточных напряжений , дефектов технологии изготовления и конструирования металлоизделий и т. д.

Для решения практических задач металловедения необходимо определять как стандартные механические свойства, так и критерии конструктивной прочности.

Механические свойства проявляются как способность материала сопротивляться всем видам внешних механических воздействий.

Механические воздействия характеризуют по направлению, длительности и области действия. По направлению механические воздействия можно рассматривать как линейные (растяжение и сжатие) и угловые (изгиб и кручение). По длительности их разделяют на статические и динамические, по области действия - на объемные и поверхностные.

Механические свойства определяют изменение формы, размеров и сплошности веществ и материалов при механических воздействиях, а следовательно, и результат практически любого механического воздействия на вещества и материалы, возникающего при их производстве и эксплуатации (использовании).

К основным механическим свойствам веществ и материалов относятся упругость, жесткость, эластичность, пластичность, прочность, хрупкость, вязкость и твердость.

Упругость - свойство материалов самопроизвольно восстанавливать свои форму и объем (твердые вещества) или только объем (жидкости и газы) при прекращении внешних воздействий. Упругость- обусловлена взаимодействием между атомами (молекулами) вещества и их тепловым движением.

В качестве меры способности материалов или изделий изменять размеры и форму при заданном типе нагрузки используются понятия «эластичность » и «жесткость».

Эластичность - способность материала или изделия претерпевать значительные изменения размеров и формы без разрушения при сравнительно небольшой действующей силе.

Жесткость - способность материала или изделия к меньшему изменению размерив и формы при заданном типе нагрузки. Чем больше жесткость, тем меньше изменения.

Эластичность - способность твердых материалов сохранять измененными форму и объем без микроскопических нарушений сплошности после снятия механических нагрузок, которые вызвали эти изменения.

Пластическая деформация связана с разрывом некоторых межатомных связей и образованием новых. Учет пластичности позволяет определять запасы прочности, деформируемости и устойчивости, расширяет возможности создания конструкций минимального веса.

Механическая прочность твердых веществ - свойство сопротивляться разрушению, разделению на части), а также необратимому изменению формы при механических воздействиях. Прочность твердых веществ обусловлена в конечном счете силами взаимодействия между составляющими их структурными единицами (атомами, ионами и др.).

Хрупкость - свойство твердых веществ разрушаться при механических воздействий без существенных предварительных изменений формы и объема.

Вязкость (внутреннее трение) - способность материалов сопротивляться действию внешних сил, вызывающему:

В твердых веществах - распространение уже имеющейся острой трещины (разрушение);

В жидкостях и газах - течение.

Твердость - свойство материалов оказывать сопротивление в поверхностном слое контактному воздействию (вдавливанию или царапанью). Особенность этого свойства заключается в том, что оно реализуется только в небольшом объеме вещества. Твердость - сложное свойство материала, отражающее одновременно его прочность и пластичность.

При отсутствии механических воздействий атомы в кристалле находятся в равновесных положениях. При механических воздействиях происходит деформация материального объекта.

Деформация - изменение взаимного расположения множества частиц вещества, которое приводит к изменению формы и размеров тела или его частей и вызывает изменение сил взаимодействия между ними. Деформируемыми являются все вещества.

Если приложить сжимающую нагрузку, то частицы строения вещества (например, атомы) будут сближаться до такого расстояния, при котором внутренние отталкивающие силы уравновесят внешние сжимающие силы. При растяжении расстояние между структурными частицами увеличивается до тех пор, пока силы притяжения не уравновесят внешнюю нагрузку.

В твердых веществах по механизму протекания различают упругую и пластическую деформации. Упругой деформацией называют деформацию, влияние которой на форму, структуру и свойства материала устраняется после прекращения действия внешних сил, а пластической - такую часть деформации, которая остается после снятия нагрузки, необратимо изменяя структуру материала и его свойства.

Все реальные твердые вещества даже при малых деформациях обладают пластическими свойствами, что предопределяет смешанные механизмы протекания деформации - упругопластическую деформацию. Так, в различных деталях и конструкциях пластические деформации охватывают, как правило, небольшой объем материала, остальной - испытывает только упругие деформации. Если величина деформации явно зависит от времени, например возрастает при неизменной нагрузке, но обратима, она называется вязкоупругой.

Пластическая деформация в твердых веществах может осуществляться, например, скольжением, которое протекает в кристаллической решетке вещества по плоскостям и направлениям с наиболее плотной упаковкой атомов. Плоскости скольжения и направления скольжения, лежащие в этих плоскостях, образуют систему скольжения. В металлах, например, могут действовать одна или одновременно несколько систем скольжения.

Представление процесса скольжения как одновременного передвижения одной части кристалла относительно другой является чисто схематическим (рис), так как такое передвижение потребовало бы величин внешней нагрузки, в сотни и тысячи раз превышающих те, при которых процесс протекает в действительности.

В реальных материалах скольжение осуществляется как в результате перемещения дислокаций в одной плоскости скольжения, так и путем перехода на другие. Дислокации, движущиеся в деформированном кристаллическом веществе, порождают большое число дислоцированных атомов и вакансий.

Большая часть работы (до 95%), затрачиваемой на деформацию, превращается в теплоту (происходит нагрев), остальная часть энергии аккумулируется в виде повышенной плотности дефектов решетки (вакансий и главным образом дислокаций). О накоплении энергии свиде­тельствует также рост остаточных напряжений в результате деформации. В связи с этим состояние пластически деформированного материала неустойчиво и может изменяться, например при термической обработке.

Простейшими элементами деформаций являются:

относительное удлинение δ - отношение приращения длины (/,-/ 0) образца под действием нагрузки к ее первоначальной величине / 0:

δ = (/,-/ 0)/ / 0

относительное сужение ψ - отношение уменьшения площади поперечного сечения образца под действием нагрузки (S 0 -S 1) к ее первоначальной величине S 0:

ψ= (S 0 -S 1)/ S 0

Сопротивление деформированию определяется сопротивлением сдвигу одного атомного слоя относительно другого, соседнего. Для оценки величины этого сопротивления введено понятие «напряжение».

Напряжение - мера внутренних сил, возникающих при деформации материала, характеризующая изменение сил взаимодействия между частицами вещества при его деформации. Напряжение не измеряется непосредственно, а лишь вычисляется через величины действующих на тело сил или определяется косвенно - по эффектам его действия, например по пьезоэлектрическому эффекту.

Напряжение является векторной величиной; величины проекции этого вектора на нормаль и касательную плоскость называются нормальным и касательным напряжениями..

Система скольжения при пластической деформации в конкретном кристаллическом веществе характеризуется величиной минимального касательного напряжения, которое необходимо для начала скольжения. Это критическое напряжение сдвига т 0 , которое не зависит от ориентации плоскости скольжения по отношению к приложенной нагрузке и является одной из фундаментальных характеристик кристаллического материала.

Если скольжение в данной системе начинается при достижении напряжения сдвига критической величины т 0 , то продолжение деформации требует непрерывного повышения величины напряжения сдвига, т.е. деформация сопровождается непрерывным упрочнением (деформационное упрочнение, или наклеп).

Наклеп - изменение структуры и свойств с увеличением плотности дефектов кристаллической решетки в веществах в результате пластической деформации. При наклепе уменьшаются пластичность и ударная вязкость, но повышаются твердость и прочность. Наклеп используется для поверхностного упрочнения изделий, но следует иметь в виду, что наклепанные металлы больше подвержены коррозии и склонны к коррозионному растрескиванию.

Напряжения характеризуют по источнику возникновения и по отношению ко времени воздействия.

По источнику возникновения напряжения делят на механические - при механических воздействиях, термические - вследствие температурного градиента, например в процессе быстрого нагрева или охлаждения между поверхностными и внутренними слоями, и структурные (фазовые) - при различных физико-химических процессах, происходящих в веществе, например изменении объема отдельных кристаллитов при фазовых превращениях.

Величина механических напряжений в образце материала σ прямо пропорциональна величине внешней силы F, Па:

σ = F/S,

где S - площадь образца,м 2 .

Основные механические характеристики сопротивления материала деформации и разрушению: модуль Юнга, коэффициент Пуассона, модуль сдвига, предел пропорциональности, предел упругости, а также пределы текучести и прочности.

Механические свойства характеризуют способность материала сопротивляться деформации и разрушению под действием приложенных нагрузок.

По характеру изменения во времени действующей нагрузки механические испытания делятся на статические (на растяжение, сжатие, изгиб, кручение); динамические (на ударный изгиб) и циклические (на усталость).

По воздействию температуры на процесс их делят на испытания при комнатной температуры, низкотемпературные и высокотемпературные (на длительную прочность, ползучесть).

Статические испытания проводятся при воздействии на образец с определенной скоростью постоянно действующей нагрузки. Скорость деформации составляет 10 -4 –10 -1 с -1 . Статические испытания на растяжение относятся к наиболее распространенным. Свойства, определяемые при этих испытаниях, приведены в многочисленных стандартах по техническим условиям на материалы. К статическим испытаниям относятся: растяжение, сжатие, изгиб, кручение.

Динамические испытания характеризуются приложением к образцу ударной нагрузки и значительной скоростью деформации. Длительность испытания не превышает сотен долей секунды. Скорость деформации составляет около 10 2 с -1 . Динамические испытания чаще всего проводят по схеме ударного изгиба образцов с надрезом.

Циклические испытания характеризуются многократными изменениями нагрузки по величине и по направлению. Примером испытаний являются испытания на усталость , они длительны и по их результату определяют число циклов до разрушения при разных значениях напряжения. В конечном итоге находят предельные напряжения, которые образец выдерживает без разрушения в течение определенного числа циклов нагружения.

Простейшим механическим свойством является твердость. Способы определения твердости делятся, в зависимости от скорости приложения нагрузки, на статические и динамические а по способу ее приложения – на методы вдавливания и царапания. Методы определения твердости по Бринеллю, Роквеллу, Виккерсу относятся к статическим методам испытания.

Твердость – это способность материала сопротивляться вдавливанию в него более твердого тела (индентора) под действием внешних сил.

При испытании на твердость в поверхность материалов вдавливают пирамиду, конус или шарик (индентор), в связи с чем различают методы испытаний, соответственно, по Виккерсу, Роквеллу и Бринеллю. Кроме того, существуют менее распространенные методы испытания твердости: метод упругого отскока (по Шору), метод сравнительной твердости (Польди) и некоторые другие.

При испытании материалов на твердость не изготавливают стандартных специальных образцов, однако к размерам, поверхности образцов и изделий предъявляются определенные требования.

Твердость по Виккерсу (ГОСТ 2999-75) определяют путем вдавливания в металл индентора алмазной пирамиды с углом при вершине 136° под действием постоянной нагрузки (Р): 1; 2; 2,5; 3; 5; 10; 20; 30; 50 или 100 кгс и выдержки под нагрузкой 10–15 с. Для определения твердости черных металлов и сплавов используют нагрузки от 5 до 100 кгс, медных сплавов – от 2,5 до 50 кгс, алюминиевых сплавов – от 1 до 100 кгс. После снятия нагрузки определяют длину диагонали отпечатка с помощью микроскопа прибора, а твердость HV рассчитывают по формуле

где Р – нагрузка, кгс; d – диагональ отпечатка, мм.

В стандарте на испытание имеется таблица зависимости твердости от величины нагрузки и длины диагонали. Поэтому на практике расчетов не производят, а пользуются готовой расчетной таблицей. Твердость по Виккерсу HV измеряется в кгс/мм2, Н/мм2 или в МПа. Значение твердости по Виккерсу может изменяться от HV 2060 до HV 5 при нагрузке 1 кгс.

По методу Бринелля вдавливают в образец или изделие стальной закаленный шарик диаметром 10, 5 или 2,5 мм под действием нагрузок 3 000, 1 000, 750, 500, 250, 62,5 кгс и других (ГОСТ 9012-59). Схема определения твердости по Бринеллю показана на рис. 1.20. Полученный круглый отпечаток на образце измеряют лупой и по таблицам находят величину твердости по Бринеллю, значение которой не превышает 450 НВ. Твердость по Бринеллю почти совпадает со значениями твердости по Виккерсу.

Твердость НВ – это также величина напряжений сопротивления вдавливанию, т.е. физическая величина:

где Р – нагрузка, кгс; D – диаметр шарика, мм; t – глубина сегмента отпечатка; d – диаметр отпечатка, мм.

Рис. 1.20. Схема определения твердости по Бринеллю.

Твердость по Бринеллю НВ (по умолчанию) имеет размерность кгс/мм 2 , например, твердость алюминиевого сплава равна 70 НВ. При нагрузке, определяемой в ньютонах, твердость по Бринеллю измеряется в МПа.

Например, твердость отожженной стали равна 207 НВ при нагрузке 3 000 кгс, диаметре шарика 10 мм, диаметре отпечатка 4,2 мм или, учитывая коэффициент перевода: 1 ньютон = 9,8 кгс, НВ = 2028 МПа.

По методу Роквелла (ГОСТ 9013-59) вдавливают алмазный конус с углом при вершине 120о (шкалы А и С) или стальной шарик диаметром 1,5875 мм (шкала В). При этом определяют твердость, соответственно, HRA, HRC и HRB. В настоящее время измерение твердости по методу Роквелла является наиболее распространенным методом, потому что при использовании твердомеров Роквелла не требуется измерять отпечаток, число твердости считывается со шкалы прибора сразу после снятия основной нагрузки.

Метод заключается во вдавливании в испытуемый образец индентора под действием двух последовательно прикладываемых нагрузок – предварительной Р 0 и основной P 1 , которая добавляется к предварительной, так что общая нагрузка Р = Р0 + Р1. После выдержки в течение нескольких секунд основную нагрузку снимают и измеряют остаточную глубину проникновения индентора, который при этом продолжает находиться под действием предварительной нагрузки. Перемещение основной стрелки индикатора на одно деление шкалы соответствует перемещению индентора на 0,002 мм, которое принимается за единицу твердости.

На рис. 1.21 представлена схема измерения твердости по методу Роквелла алмазным или твердосплавным конусом. При испытаниях измеряют глубину восстановленного отпечатка. Шкалы А и С между собой совпадают, поскольку испытания проводят одним и тем же индентором – алмазным конусом, но при разных нагрузках: 60 и 150 кгс соответственно. Твердость в этом случае определяется как

Рис. 1.21. Схема определения твердости по Роквеллу (индентор – конус).

На практике значения твердости по Роквеллу не рассчитываются по формулам, а считываются с соответствующей (черной или красной) шкалы прибора. Шкалы HRC и HRA используются для высокой твердости, HRB – для низкой. Число твердости по Роквеллу измеряют в условных единицах, оно является мерой глубины вдавливания индентора под определенной нагрузкой.

Механические свойства металлов при растяжении . Испытание на растяжение материалов проводят в соответствии с ГОСТ 1497-84 «Методы испытаний на растяжение». Стандарт устанавливает методы статических испытаний на растяжение черных и цветных металлов для определения при температуре 20 °С пределов пропорциональности, упругости, текучести, временного сопротивления разрыву, относительного удлинения и относительного сужения, модуля упругости.

Для испытаний применяют плоские и цилиндрические образцы, вырезанные из детали или специально изготовленные. Размеры образцов регламентированы указанным стандартом, они подчиняются геометрическому подобию и могут быть короткими и длинными. Для цилиндрического образца берется соотношение начальной рабочей длины l 0 и исходного диаметра d0: l 0 = 5d 0 – короткий образец, l 0 = 10d 0 – длинный образец. Для плоского образца берется соотношение рабочей длины l 0 и площади поперечного сечения F 0: l 0 = 5,65 F 0 – короткий образец, l 0 = 11,3 F 0 – длинный образец. Цилиндрические образцы изготавливаются диаметром 3 мм и более. Образцы состоят из рабочей части длиной l 0 , и головок, форма и размер которых соответствует захватам машины (рис. 1.22).

Рис. 1.22. Цилиндрические и плоские образцы до и после испытания на растяжение.

Рис. 1.23. Первичная диаграмма растяжения.

Растяжение образца проводят на специальных машинах, фиксирующих величину прилагаемой нагрузки и изменение длины образца при растяжении.

Эти же машины позволяют записывать изменение длины образца при увеличении нагрузки (рис. 1.23), т.е. первичную диаграмму испытания на растяжение в координатах: нагрузка (Р), в Н, кН и абсолютное удлинение образца Δl в мм.

Измеряя величину нагрузки в характерных точках диаграммы испытаний на растяжение (рис. 1.23), определяют следующие характеристики механических свойств материалов:

σ пц – предел пропорциональности, точка р ;

σ 0,05 – предел упругости, точка е ;

σ т – предел текучести физический, точка s;

σ 0,2 – предел текучести условный;

σ в – временное сопротивление разрыву или предел прочности, точка b.

Значения 0,05 и 0,2 в записи предела упругости и текучести соответствуют величине остаточной деформации Δl в процентах от l 0 при растяжении образца. Напряжения при испытании на растяжение определяют путем деления нагрузки Р, соответствующей характерной точке на диаграмме, на площадь первоначального поперечного сечения F 0 рабочей части испытуемого образца:

Площадь поперечного сечение F 0 определяется следующим образом:

для цилиндрического образца

для плоского образца F 0 = a 0 × b 0 , где a 0 – первоначальная толщина, а b 0 – первоначальная ширина образца. В точке k определяют напряжение сопротивления разрушению материала.

Предел пропорциональности и предел упругости определяют с помощью тензометра (прибор для определения величины деформации). Предел текучести физический и условный рассчитывают, определяя нагрузку по диаграмме растяжения. Если на диаграмме нет площадки текучести, то для вычисления условного предела текучести необходимо провести графические построения на диаграмме (рис. 1.24). Вначале находят величину остаточной деформации, равную 0,2 % от l 0 , далее отмечают отрезок на оси деформации, равный 0,2 % от l 0, и проводят линию, параллельную пропорциональному участку диаграммы растяжения до пересечения с кривой растяжения. Нагрузка Р 0,2 соответствует точке их пересечения. Физический или условный предел текучести характеризует способность материала к началу пластической деформации, т.е. сопротивление малой пластической деформации.

Рис. 1.24. Определение предела текучести.

Предел прочности можно подсчитать, используя показание силоизмерителя, по максимальной нагрузке P max при разрыве; либо найти P max (P в) по первичной диаграмме растяжения. Характер деформации при растяжении вязких и хрупких материалов существенно различается.

Хрупкие материалы после достижения максимальной нагрузки быстро разрушаются без значительной пластической деформации, поэтому σ в для хрупких материалов является характеристикой сопротивления разрушению, а для пластичных – характеристикой сопротивления деформации.

Напряжение разрушения определяют как истинное. При этом нагрузку разрушения делят на конечную площадь поперечного сечения образца после разрушения (F к):

Все рассчитанные таким образом величины являются характеристиками прочности материала.

Пластичность, т.е. способность деформироваться без разрушения, характеризуется изменениями размеров образца. При испытании на разрыв определяют характеристики пластичности: относительное удлинение

и относительное сужение

где l к и F к – соответственно, длина рабочей части и площадь поперечного сечения образца после разрыва.

Рассчитанные характеристики механических свойств после испытания а растяжение заносят в протокол.

Механические свойства металлов при сжатии . Для хрупких материалов с низким сопротивлением разрыву проводят испытание на сжатие по ГОСТ 25.503-97. Для испытания используют цилиндрические образцы с гладкими торцами и торцовыми выточками.

При сжатии находят следующие характеристики сопротивления деформации: предел пропорциональности
, предел упругости
, физический предел текучести
, условный предел текучести
, предел прочности
. Напряжения рассчитываются как отношение соответствующей нагрузки к площади сечения образца до деформации. Предел прочности можно рассчитать без записи диаграммы сжатия, для остальных расчетов необходима первичная диаграмма испытания.

Диаграмма сжатия пластичных образцов отличается от диаграммы хрупких образцов. Высокопластичные материалы не удается разрушить при сжатии, и они сплющиваются. Поэтому временное сопротивление сжатию пластичных образцов можно определить лишь условно, т.к. после участка упрочнения происходит быстрое нарастание сплющивания образца. Хрупкие материалы разрушаются при незначительных деформациях и предел прочности находят по отношению максимальной нагрузки к первоначальной площади сечения образца. У хрупких материалов, например чугуна, сопротивление сжатию выше, чем сопротивление растяжению. Многие хрупкие материалы при сжатии разрушаются вследствие среза или скалывания по плоскостям под углом 45° к оси образца.

К характеристике пластичности при сжатии относят ε – относительное укорочение образца:
где h 0 , h k – начальная и конечная высота образца.

Испытания на изгиб . Испытание на изгиб проводят по ГОСТ 14019-80 по двум схемам: сосредоточенной нагрузкой, приложенной в середине пролета, и при чистом изгибе (рис. 1.25).

Рис. 1.25. Схема изгиба сосредоточенной силой (а ) и двумя симметричными нагрузками (б ).

В результате испытания находят предел пропорциональности, предел упругости, предел текучести с точным замером величины деформации. Предел прочности при изгибе рассчитывают σ изг:
где М изг – наибольший изгибающий момент, равный при первой схеме нагружения М изг = Рl /4, а по второй схеме – М изг =Ра; W – момент сопротивления, характеристика поперечного сечения бруса, для образцов круглого сечения W = πd 3 /32; для образцов прямоугольного сечения W = bh 2 /6, где h – высота бруса.

Пластичность характеризует f разр (величина прогиба), деформация, которая зависит от материала, длины образца, момента инерции и т.д.

Динамические испытания . Испытания на ударный изгиб . Важной характеристикой механических свойств является ударная вязкость, характеризующая удельную работу, затрачиваемую на разрушение при ударе образца с надрезом. Ударная вязкость определяется при испытании на маятниковом копре с постоянным запасом работы маятника по ГОСТ 9454-78 «Метод испытания на ударный изгиб при пониженной, комнатной и повышенной температурах». Стандарт распространяется на черные и цветные металлы и сплавы и устанавливает метод испытания от –100 до +1 000 °С. Метод основан на разрушении ударом маятникового копра образца с концентратором напряжений. В результате испытания определяют полную работу, затраченную при ударе К или ударную вязкость КС.

Используют образцы прямоугольной формы с концентратором типа U, V, T (усталостная трещина). Наиболее распространенными образцами являются образцы размерами 55×10×10 мм с U концентратом 2×2 мм (рис. 1.26).

Рис. 1.26. Стандартный образец с U-образным надрезом для испытаний на ударный изгиб.

На разрушение ударом образца затрачивается только часть энергии маятника, в связи с чем маятник после разрушения образца продолжает двигаться, отклоняясь на определенный угол. Чем больше величина работы, затрачиваемой на разрушение образца, тем на меньший угол он отклоняется от вертикали после разрушения. Величиной этого угла и определяют работу удара К или работу, затраченную на разрушение образца. Работу разрушения K относят к площади поперечного сечения образца S0 в месте излома, и тем самым определяют KC – ударную вязкость: КС = К/S 0 , где К измеряется в Дж (кгс·м), S 0 в м 2 (см 2).

В зависимости от вида концентратора ударная вязкость обозначается KCU, KCV, KCT и имеет размерность МДж/м 2 (МДж/см 2) или кгс·м/см 2 .

Контрольные вопросы и задания

1. Какие типы кристаллических решеток характерны для чистых металлов?

2. Изобразите решетки кристаллов ОЦК, ГЦК, ГПУ, укажите их координационное число и плотность упаковки.

3. Какие типы связей характерны для металлов Al, Cu, Fe; полуметаллов Bi, Si и неметаллических материалов?

4. Опишите типичные признаки металлического состояния.

5. Какие дефекты кристаллического строения присутствуют в реальных кристаллах?

6. Опишите строение пластмасс и других неметаллических материалов.

7. Охарактеризуйте основные методы исследования материалов.

8. В чем заключается макроанализ материалов?

9. Что можно определить при исследовании микроструктуры?

10. Как приготовить объекты исследования для макро- и микроанализа?

11. Опишите преимущества электронной микроскопии при исследовании материалов.

11. Какие задачи можно решать, применяя рентгеновские методы анализа для изучения материалов?

12. Какие требования предъявляют к выбору материала при изготовлении изделий?

13. Опишите химические свойства материалов.

14. Какие виды коррозии возможны в материалах при их эксплуатации в агрессивных средах?

15. Опишите физические и теплофизические свойства материалов.

16. Охарактеризуйте механические свойства материалов.

17. Как определяют твердость по Бринеллю, Роквеллу и Виккерсу?

18. Запишите единицы измерения твердости по Бринеллю, Роквеллу и Виккерсу.

19. Какие методы испытаний механических свойств относят к статическим, динамическим и циклическим?

20. Изобразите первичную диаграмму растяжения для пластичного материала.

21. Как по диаграмме растяжения определить предел прочности и предел текучести?

22. Какие типы образцов используют для нахождения относительного удлинения и относительного сужения?

23. Какие характеристики определяют при испытании на сжатие и на изгиб?

24. Какие характеристики вычисляют при испытании на ударный изгиб?

25. Чем различается ударная вязкость, обозначаемая КСU , КСV, КСТ?

Классификация видов разрушения деталей. В практике эксплуатации машин и оборудования встречаются разнообраз­ные повреждения деталей.

Наблюдения за отказами деталей машин в эксплуатации позволяют все виды разрушения материалов деталей разделить на три основные группы:

деформация и изломы; 2) износ; 3) химико-тепловые повреждения.

Деформация и изломы происходят при напряжениях, превышающих предел текучести или предел прочности материала детали.

Изнашивание происходит в результате взаимодействия трущихся тел. Характер трущихся тел и условия их взаимодействия обусловливают особен­ности процесса изнашивания.

Химико-тепловые повреждения - результат комплексного воздействия на рабочие поверхности деталей факторов, среди которых факторы теплового воздействия превалируют.

Деформация и изломы. Деформация материала детали происходит в результате приложения нагрузки и выражается изменением формы и размеров детали.

Эти изменения могут быть временными (упругие деформации, исчезающие после снятия на­грузки), или остаточными (пластические деформации, остающиеся после снятия нагрузки). Повреждения деталей происходят в результате пластической де­формации и выражаются в виде изгибов, вмятин и скручиваний.

При изгибах и вмятинах нарушается геометрическая форма деталей в результате приложения в основном динамических нагрузок.

Скручивание деталей вызывается приложением крутящего момента, превосходящего расчетный.

Излом материала детали также происходит в результате приложения нагрузки и выражается в разрушении детали.

В зависимости от характера нагружения рассматривают статический, ди­намический и усталостный изломы.

Статический излом является результатом воздействия значи­тельных местных нагрузок. Чаще всего он наблюдается в наиболее нагруженных местах в деталях корпусов в виде трещин, особенно в деталях, изготовленных из чугуна.

Динамический излом является следствием сильных поверхност­ных ударов и часто наблюдается на литых деталях.

Хрупкий излом характеризуется полным отсутствием или весьма незначительной величиной пластических деформаций. Причинами хрупкого излома чаще всего служат хладноломкость материала детали, наличие концентраторов напряжений в опасном сечении и мгновенное приложение нагрузки.

Вязкий излом обусловлен наличием макропластической деформации. Разрушение материала детали при вязком изломе - результат резкого возрастания приложенной статической нагрузки. Вязкий излом появляется в результате превышения предела текучести материала детали.

Однако наиболее часто причиной выхода детали из строя является усталостный излом, в основе которого лежит явление усталости, т.е. разрушение материала под влиянием циклических напряжений, действующих в течение определенного времени. Свойство материала детали, характеризующей ее способность сопротивляться усталостному разрушению, называют выносливостью. Установлено, что усталостные изломы возникают при напряжениях ниже предела текучести. Процесс начинается с зарождения усталостной трещины, появлению которой способствует наличие концентратора напряжений или какого-либо микродефекта в опасном сечении детали. Возникнув, усталостная трещина под действием циклической нагрузки распространяется в глубь детали, что приводит в конечном итоге к ее разрушению. Практика показала, что разрушение вооружения шарошек буровых долот начинается с появления усталостных трещин.

Износ. Износ деталей - основной дефект, приводящий к выходу машин из строя Другие виды повреждений деталей менее распространены в эксплуатации бурового и нефтегазопромыслового оборудования. Поэтому всестороннее изучение явлений изнашивания и их причин чрезвычайно важно.

Трение - сопротивление, возникающее при взаимном перемещении соприкасающихся поверхностей тел.

В зависимости от кинематических признаков относительного перемещения тел чаще всего встречаются два вида трения: трение скольжения и трение качения.

В зависимости от состояния трущихся поверхностей различают:

Трение без смазки - трение двух твердых тел при отсутствии на поверхности трения введенного смазочного материала всех видов;

Граничное трение - тре­ние двух твердых тел при наличии на поверхности трения слоя жидкости, обладающего свойствами, отличающи­мися от объемных;

Жидкостноетрение-явление сопротивления относительному перемещению, возникающее между двумя телами, разделенными слоем жидкости, в котором проявляются ее объемные свойства.

На процессы трения влияют механические, физико-химические, тепловые и электрические факторы. Различное сочетание этих факторов приводит к многообразию видов изнашивания.

Изнашивание - процесс постепенного изменения размеров тела при тре­нии, проявляющийся в отделении с поверхности трения материала и (или) его остаточной деформации.

Износ - результат изнашивания, проявляющегося в виде отделения или остаточной деформации материала.

Гидродинамическое давление смазки, развивающееся вследствие движения ее в пространстве между цапфой и подшипником, уравновешивает внешнее давление на цапфу. Поскольку площади поперечных сечений этого простран­ства в радиальном направлении различны, щель приобретает форму клина.

При движении смазки отдельные ее слои перемещаются с различными ско­ростями по отношению друг к другу, поэтому возникает жидкостное трение.

Закон жидкостного трения можно представить следующей формулой:

где F - сопротивление трения, кгс; µ - абсолютная вязкость смазки, кгс с/м 2 ; Q - площадь трущихся поверхностей, м 2 ; v - относительная скорость скольжения, м/с; h - толщина слоя смазки, м.

На основе этого закона и ряда экспериментов получена формула, устана­вливающая условия, при которых обеспечивается всплывание цапфы:

h=
(3.2)

где h min - толщина слоя масла в самом тонком месте, мм; п - частота враще­ния вала, об/мин; d - диаметр цапфы, мм; I - длина цапфы, мм; S - наиболь­ший зазор в состоянии покоя, мм;

Для нормальной работы деталей, как это следует из формулы (3.2), главное значение имеют величина первоначального зазора и качество смазки. Осуществить постоянство условий для обеспечения жидкостного трения невозможно, так как при запуске машины цапфа переходит из нижнего положения в верхнее; при полужидкостном трении, что приводит к изнашиванию сопряженной пары. Такое же положение возникает при изменениях режима работы машины и ocoбенно при ее перегрузке, когда снижается скорость вращения

Классификация видов изнашивания. Механическое изнашивание - изнашивание в результате механических воздействий. В свою очередь механическое изнашивание подразделяется на: абразивное, гидроабразивное, газоабразивное, эрозионное, усталостное и кавитационное.

Абразивное изнашива­ние механическое изнашивание материала в результате режущего или царапающего действия твердых тел или частиц.

Очень опасен износ поверхностей твердыми подвижными частицами, по­падающими между трущимися поверх­ностями (например, с загрязненной смазкой). Абразивное изнашивание по­верхности деталей происходит при бу­рении скважин, резании грунтов, дроблении камня, перемешивании твер­дых смесей, а также при буксовании колеса по поверхности дороги.

Абразивная эрозия, гидро- и газоабразивное изнашивание - основной вид изнашивания деталей насосов, трубопроводов, арматуры, дымососов, вен­тиляторов, эжекторов, пескоструйных аппаратов в результате воздействия твердых тел или частиц, увлекаемых по­током жидкости или газа.

При усталостном изнашивании поверхности трения илиотдельных ее участков повторное деформирование микрообъемов материала приводит к возникновению трещин и отделению частиц. Это особенно проявляется при трении качения: шарик или ролик, перемещаясь по поверхности кольца подшипника, гонит перед собой волну сжатия материала, а сзади создает зону растяжения. Многократно повторяющиеся знакопеременные нагрузки вызывают явления контактной усталости.

Усталостное изнашивание часто является одной из причин выхода из строя основнойопоры вертлюга, основной и вспомогательной опор ротора, шестерен бурового насоса иротора, а также элементов подшипников скольжения, в ко­торых выкрашивается антифрикционный слой баббитовых и бронзовых вкла­дышей.

Кавитационное изнашивание поверхности происходит при относительном движении твердого тела в жидкости в условиях кавитации.

При неправильно выбранном режиме работы гидравлической машины в потоке жидкости могут образоваться пузырьки пара или газа, ликвидация которых происходит бурно с гидравлическими ударами. Кавитационное изнашивание во много раз активнее других видов изнашивания.

Факторы, влияющие на изнашивание деталей. На процесс изнашивания рабочих поверхностей деталей машин оказывают влияние различных факторов, которые можно разделить на две группы:

1) факторы, влияющие на износостойкость деталей;

2) факторы, влияющие на изнашиваемость деталей.

Под изнашиваемостью в данном случае подразумевается свойство мате­риала детали поддаваться изнашиванию. Изнашиваемость есть свойство, противоположное износостойкости.

Факторы, влияющие на износостойкость деталей: качество ма­териала детали и качество рабочей поверхности детали.

К факторам, влияющим на изнашиваемость деталей, относятся: вид трения сопряженных деталей; характер и величина удельных нагрузок на поверхностях трения; относительные скорости перемещения трущихся по­верхностей; форма и размер зазора между сопряженными поверхностями; усло­вия смазки трущихся поверхностей; наличие, размер и форма абразива, участ­вующего в процессе трения, и физико-механические свойства абразива.

Качество материала детали характеризуется его физико-механическими свойствами (прочностью, твердостью, вязкостью), которые в свою очередь определяются химическим составом и структурой.

Из физико-механических свойств, твердость оказывает наибольшее влияние на износостойкость материала. Более твердые металлы и сплавы изнашиваются медленнее. Твердые металлы по сравнению с мягкими менее пластичны и ока­зывают большее сопротивление внедрению абразивных частиц. Исследования показали, что с увеличением твердости стали ее износостойкость повышается.

При выборе материала для деталей, работающих при ударной нагрузке, кроме твердости, следует учитывать еще их вязкость во избежание повышения хрупкости. Детали, изготовленные из малоуглеродистых конструкционных или легированных сталей и подвергнутые поверхностной химико-термической обработке, имеют высокую твердость и износостойкость рабочих поверхностей, а также высокую вязкость сердцевины.

На износостойкость металлов и сплавов большое влияние оказывает их химический состав и структура.

Наиболее износостойкий сплав - сталь, имеющая мелкозернистую струк­туру. Чем выше содержание углерода в стали, тем больше ее износостойкость. Введением в сталь добавок кремния, марганца, хрома, никеля, вольфрама и молибдена повышается ее износостойкость, благодаря образованию химиче­ских соединений легирующих элементов с углеродом и твердых растворов с железом, обладающих весьма высокой твердостью. Перечисленные легирующие элементы при термической обработке обеспечивают получение мелкозернистой структуры.

На износостойкость чугуна оказывает значительное влияние структура основы: серые чугуны с перлитной структурой изнашиваются в 1,5-2 раза меньше, чем чугуны с ферритной структурой. Большое влияние оказывает также форма и характер распределения графитовых включений, являющихся более слабой составляющей структуры, и снижающих износостойкость чугуна. Износостойкость серого чугуна возрастает с повышением содержания связанного углерода. Легирующие присадки - никель, хром, молибден (с последующей термической обработкой) - повышают прочность и износостойкость чугунных деталей. Наиболее износостойкими считаются чугуны с содержанием никеля 1,2-1,5% и хрома 0,4-0,5%. Увеличение износостойкости деталей из легированных чугунов наблюдается также при поверхностной закалке их paбочих поверхностей нагревом токами высокой частоты, а также при использовании азотирования. Так, износостойкость азотированных гильз ДВС в 2-2,5 раза выше износостойкости гильз, изготовленных из хромистого чугуна.

Следующим важным фактором, влияющим на износостойкость деталей машин, является качество поверхности трения после механиче­ской обработки. Качество обработанной поверхности характеризуется совокупностью геометрических параметров и физико-механических свойств по­верхностного слоя материала.

К геометрическим параметрам относятся макрогеометрия, волнистость, шероховатость и направление штрихов (рисок), т.е. следов обработки поверхности.

Физико-механические свойства обусловливаются структурой, микротвердостью, величиной наклепа, видом остаточных напряжений, харак­тером взаимодействия со смазкой и т.д.

Литература: 1 осн. , 3 осн. , 7 доп.

Контрольные вопросы:

1. Каковы причины появления естественного износа?

2. Чем отличаются друг от друга виды трения?

3. Что такое усталостное разрушение?

4. Какие методы повышения долговечности деталей существуют?

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 (σ в), предел текучести (σ т), 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 (σ в) – 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 (σ т) – 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 (σ 0.2) - 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 (σ пр), под которым подразумевают напряжение, при котором пластическая деформация достигает заданного значения. Обычно используют значения остаточной деформации 0,005; 0,02; 0,05%. Таким образом, σ 0,05 = Рпр / Fo (Рпр – нагрузка, при которой остаточное удлинение составляет 0,05%).

Предел пропорциональности σ пц = 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:

ГОСТ 8.062—85 «Государственная система обеспечения единства измерений. Государственный специальный эталон и государственная поверочная схема для средств измерений твердости по шкалам Бринелля»

ГЭТ 33—85 «Государственный специальный эталон единиц 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).

а	б	в

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: σ в ≈ 3,4 НВ - для горячекатаных углеродистых сталей; σ в ≈ 4,5 НВ - для медных сплавов, σ в ≈ 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/м 2 .

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 σ R , 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.