Основные свойства конструкционных материалов

В процессе проектирования изделия выбор материала осуществляют с учётом его комплекса свойств, которые, прежде всего, должны удовлетворять необходимым требованиям к эксплуатации изделия. Если назначение изделия и условия его эксплуатации не предъявляют очень жёстких требований к материалу, т.е. имеется возможность более или менее широкого выбора, то материал следует выбирать с учётом упрощения и удешевления производства изделия. При возможности следует также учитывать упрощение восстановления изделия. Например, при изготовлении детали наружной обшивки корпуса космического корабля с учётом ответственности назначения требования могут быть исключительно жёсткими и диктовать однозначный выбор материала и очень сложную и дорогостоящую технологию изготовления этой детали. Здесь попытка сэкономить на материале и процессе изготовления детали может привести к колоссальным людским, материальным и финансовым потерям в результате крушения космического корабля. Если же разрабатываются технологии изготовления гвоздей для тарных ящиков или колпачков для шариковых ручек, то тут возможность выбора разнообразных материалов будет несравненно более широкой.

Основные свойства конструкционных материалов делят на пять групп: механические, физические, химические, технологические и эксплуатационные.

Рассмотрим механические свойства материалов, к которым относят прочность, жёсткость и пластичность.

Напомним базовые механические понятия.

Напряжение – сила, отнесённая к площади, на которую эта сила действует.

Остаточное напряжение – напряжение, которое остаётся в теле или его части после полного снятия воздействия. Остаточные напряжения возникают в результате неоднородной пластической деформации при обработке давлением или резанием, а также из-за неравномерного охлаждения и затвердевания при литье и сварке. Иногда эти напряжения называют внутренними или дополнительными напряжениями.

Концентрация напряжений – значительное увеличение напряжений в местах резкого изменения формы тела, называемых концентраторами напряжений (отверстий, надрезов, выточек, пазов, уступов, углов, дефектов поверхности, прессовых посадок).

Деформация – изменение размеров или формы тела. Различают силовую деформацию, температурную деформацию и деформацию в результате фазовых превращений.

Упругая деформация – деформация, исчезающая после снятия нагрузки.

Пластическая (или остаточная) деформация – деформация, остающаяся после снятия нагрузки.

Прочность – способность материала сопротивляться разрушению. Прочность зависит не только от самого материала, но и от вида напряжённого состояния (например, растяжение или сжатие), а также условий нагружения (например, температуры, скорости нагружения, переменности во времени).

Жёсткость – способность материала сопротивляться деформациям.

Пластичность – способность материала получать остаточные деформации, не разрушаясь.

Хрупкость – способность материала разрушаться без образования заметных остаточных деформаций. Это свойство является противоположным свойству пластичности.

Теперь укажем механические характеристики материалов, которые получают из различных видов испытаний. Основным и наиболее распространённым стандартным испытанием является испытание на растяжение, цилиндрический образец для которого показан на рис. 1.1-а. Для испытания листовых материалов используют плоские образцы (рис. 1.1-б). Последнее время всё большее распространение получает испытание цилиндрических образцов на сжатие, которое позволяет исследовать поведение материала при значительно бόльших деформациях, чем растяжение, и значительно ближе по своему характеру к напряжённому состоянию многих формоизменяющих операций, например, операций резания или большинства операций ковки и объёмной штамповки. Образцы для испытания на сжатие имеют более простую форму и обычно значительно меньше по размерам, чем те, которые требуются для испытания на растяжение.

Основной сложностью испытания на сжатие является устранение трения, возникающего на поверхностях контакта торцов образца со сжимающими плитами. Трение искажает цилиндрическую форму образца, делая её бочкообразной, а также вносит добавку в измеряемую по ходу испытания силу, которая уже не характеризует только прочностные свойства самого материала. Для устранения трения применяют специальные образцы с выточками на торцах (рис. 1.2), заполняемыми смазочным материалом – стеарином или парафином, капающим внутрь выточки с зажжённой свечи. Испытание проводят после застывания стеарина и удаления его излишков, выступающих выше буртиков, типовые размеры которых для образцов диаметром до 20 мм показаны на рис. 1.2. Эксперименты показывают, что таким способом трение полностью устраняется в пределах сжатия до высоты, втрое меньшей первоначальной, т.е. до относительной деформации порядка 70% (при растяжении в момент разрушения образца обычно достигается значительно меньшая относительная деформация 10-30%).

s     sт ss   0e   Рис. 1.3. Истинная диаграмма зависимости напряжения от деформации

По результатам испытаний на растяжение или сжатие, которые, при необходимости, следует проводить для разных температур и скоростей деформации, можно получить два вида диаграмм зависимости напряжений s от деформаций e: условную диаграмму, напряжения которой определяются делением силы на начальную площадь поперечного сечения образца, и истинную диаграмму, построенную путём деления значений силы не на начальную площадь, а на площадь поперечного сечения, которую имел образец в момент измерения силы. Истинные диаграммы (рис. 1.3) уже не имеют горизонтальной площадки текучести и характерного максимума при значениях деформаций, соответствующих пределу прочности на условных диаграммах.

Напряжение текучести s_s – напряжение, вызывающее в условиях линейного напряжённого состояния пластическую деформацию при данной величине деформации. Напряжение текучести является характеристикой истинной диаграммы и у большинства материалов изменяется при увеличении деформации материала, то есть является переменной величиной, которую следует отличать от постоянной величины, называемой пределом текучести.

Предел текучести s_т– напряжение, при котором возникают пластические деформации на начальной стадии деформирования. Предел текучести представляет собой начальное напряжение текучести. Поскольку в начальный момент пластической деформации исходная площадь поперечного сечения изменяется незначительно, с достаточной точностью можно считать, что предел текучести является одинаковым на условной и истинной диаграммах.

Упрочнение (наклёп, нагартовка) – увеличение напряжения текучести материала при увеличении деформации. Получивший предварительное упрочнение материал обладает бόльшим пределом текучести, но меньшей пластичностью, чем неупрочнённый.

Кривая упрочнения – зависимость напряжения текучести материала от деформации. При испытаниях на растяжение или сжатие кривая упрочнения соответствует истинным диаграммам испытаний.

s   0e1e2e   Рис. 1.4.Сопоставление условных диаграмм растяжения двух разных материалов с одинаковыми пределами прочности

Предел прочности (временное сопротивление) s_в– отношение наибольшей силы, которую способен выдержать образец, к его начальной площади поперечного сечения. Т.е. предел прочности – это характеристика условной диаграммы растяжения. Важно заметить, что предел прочности в большинстве случаев не является напряжением, при котором разрушается материал. Если отнести силу, соответствующую моменту разрушения образца к действительной площади в месте разрушения, можно обнаружить, что напряжение разрушения значительно больше (для пластичных материалов примерно в два раза) предела прочности. Одинаковые пределы прочности двух разных материалов (рис. 1.4) вовсе не означают, что один материал столь же прочен, как и другой. Равенство этих пределов означает лишь то, что наибольшая сила, соответствующая моменту начала образования шейки, была для обоих материалов одинаковой, но с учётом того, что материал 2 получил в данный момент деформацию e₂, существенно превышающую e₁, ясно, что он имел значительно меньшую истинную площадь поперечного сечения, т.е. в момент образования шейки выдерживал значительно большее напряжение, чем материал 1. Кроме того, при сжатии предел прочности можно с достаточной объективностью определять лишь у весьма хрупких материалов, разрушение которых происходит в начальный момент, т.е. без заметного изменения площади поперечного сечения. Таким образом, в целом предел прочности является весьма условной величиной, которая вошла в практику для сравнительной оценки прочностных свойств материала лишь в силу удобства и простоты определения. В достаточно точных научных расчётах, использующих формулы механики деформируемого твёрдого тела, предел прочности не используется, а его применение всегда означает очень упрощённый учёт прочностных свойств материала. Но в упрощённом понимании прочность характеризуют именно пределы прочности и текучести (применение предела текучести для характеристики прочности обусловлено тем, что в большинстве конструкций пластические деформации являются недопустимыми).

Разновидностью статических нагрузок являются периодически изменяющиеся во времени или циклические нагрузки, приводящие к усталостному разрушению. Способность материалов сопротивляться разрушению под действием циклических нагрузок называется усталостной прочностью или выносливостью. Характеристикой усталостной прочности при наиболее опасном симметричном цикле является предел выносливости s_–1 – напряжение, при котором материал выдерживает либо неограниченное число циклов, либо регламентированное число циклов (обычно 10⁸ циклов).

При статических нагрузках, особенно, в условиях высоких температур, наблюдается явление ползучести, проявляющееся в самопроизвольном изменении с течением времени деформаций и напряжений в статически нагруженной детали. Предел ползучести s_пл – напряжение, при котором деформация ползучести материала за заданный промежуток времени достигает заданной величины. Заданный промежуток времени обычно принимают равным сроку службы изделия, а деформацию ползучести выбирают из условий нормальной эксплуатации изделия.

Жёсткость материала в пределах упругости характеризуется входящим в закон Гука модулем упругости E. Чем больше модуль упругости, тем жёстче материал, т.е. тем меньше он деформируется при той же самой величине напряжения. Например, если державку режущей пластины токарного резца вместо стали выполнить из латуни, то она может быть не менее прочной (по величине предела прочности или текучести многие латуни не уступают сталям). Однако с учётом того, что модуль упругости латуни (E=1,2×10⁵ МПа) почти в два раза меньше модуля упругости стали (E=2×10⁵ МПа), резец с латунной державкой тех же размеров будет прогибаться под действием сил резания вдвое больше, чем стальной, что значительно ухудшит точность обработки. Таким образом, в данном случае латунь устраивает нас по прочности, но не устраивает по жёсткости.

Пластичность характеризуется относительным удлинением при разрыве

, (1.1)

где l₀ и l – начальная и конечная длины образца, и относительным сужением при разрыве

, (1.2)

где S₀ и S – начальная и минимальная после разрыва площади поперечного сечения образца.

Величина d существенно зависит от отношения длины образца l₀ к его диаметру d₀. Поэтому в справочниках указывается, на каком образце определялась величина d. Например, d₅ означает, что удлинение было определено на пятикратном образце, а d₁₀ – на десятикратном. Величина y практически не зависит от указанного отношения и поэтому характеризует пластичность более точно.

Нагружение, приводящее к появлению значительных массовых сил, определяемых произведением массы рассматриваемого объема на его ускорение, называется динамическим (частным случаем динамического нагружения является, например, перегрузка космонавта и элементов ракеты при движении её с ускорением, а также ударное нагружение). Массовые силы считаются значительными, если они соизмеримы с прочими силами, действующими на рассматриваемое тело. Нагружение называется скоростным, если пластические деформации не успевают произойти полностью за время изменения нагрузки, т.е. если скорость протекания пластических деформаций является недостаточной для их полного завершения в процессе изменения нагрузки. В этом случае эксперименты показывают значительное влияние увеличения скорости деформирования на механические характеристики материала. Например, при ударном растяжении (одновременно являющимся и динамическим, и скоростным) предел текучести повышается на 20-70%, а предел прочности – на 10-30% по сравнению со статическим растяжением. Пластичность с ростом скорости нагружения резко убывает, и даже у пластичных материалов начинает наблюдаться склонность к хрупкому разрушению. Поскольку для построения диаграммы ударного растяжения требуются очень сложные специальные машины, обычно применяют упрощённый способ оценки свойств материала в условиях ударной нагрузки, называемый испытанием на ударную вязкость а_н, под которой понимается отношение работы, затраченной на разрушение образца с надрезом специальным маятниковым копром (рис. 1.5), к площади прямоугольного поперечного сечения образца в месте надреза. Чем больше ударная вязкость, тем лучше материал сопротивляется удару (тем лучше, например, броня танка сопротивляется пробиванию снарядом или, скажем, наковальня, не трескаясь, выдерживает удары молота).

Так как изготовление и испытание образцов на растяжение или сжатие не только достаточно трудоёмко и требует много времени, но, к тому же, вынуждает портить заготовки или изделия, из которых вырезают эти образцы, то на практике часто прибегают к простой и быстрой сравнительной оценке прочностных свойств материала с помощью пробы на твёрдость, обычно не требующей порчи исследуемых объектов.

А) б) в)

Рис. 1.6.Схемы определения твёрдости: а – по Бринеллю;

б – по Роквеллу; в – по Виккерсу

Твёрдость – способность материала сопротивляться вдавливанию в него постороннего тела. При измерении твёрдости специальные наконечники вдавливают в материал и судят о твёрдости по обмеру полученного отпечатка. Значение твёрдости и её размерность для одного и того же материала зависят от метода измерения. Наибольшее распространение получили метод Бринелля (твёрдость обозначают НВ), в котором в испытываемую поверхность вдавливается высокопрочный стальной шарик (рис. 1.6-а), обычно используемый для более твёрдых материалов метод Роквелла (три шкалы, используемые в порядке возрастания твёрдости: HRB, HRС, HRА), в котором вдавливается алмазный конус (рис. 1.6-б), и применяемый для материалов малой толщины и тонких поверхностных слоёв высокой твёрдости метод Виккерса (HV), в котором вдавливается четырёхгранная алмазная пирамида с квадратным основанием (рис. 1.6-в). Специальные экспериментальные таблицы, графики или зависимости позволяют по значениям твёрдости приближённо определить предел прочности или предел текучести материала.

Для определения твёрдости изделий очень мелких размеров или твёрдости отдельных составляющих структуры сплавов измеряют микротвёрдость (H), вдавливая пирамиду Виккерса под малой нагрузкой.

К основным физическим свойствам материалов относятся плотность, температура плавления, теплопроводность, теплоёмкость, коэффициент температурного расширения, электропроводность, магнитные свойства.

Основным химическим свойством конструкционных материалов является способность к химическому взаимодействию с конкретными контактирующими материалами и окружающими средами в процессе обработки и эксплуатации.

Способность материала подвергаться различным методам формообразующей обработки определяется его технологическими свойствами. Перечислим эти свойства.

Литейность – способность расплавленного материала заполнять литейную форму с малой величиной усадки и незначительным образованием литейных дефектов.

Формоизменяемость – способность материала при обработке давлением приобретать требуемую форму без разрушения и с наименьшим сопротивлением.

Свариваемость – способность материала образовывать при сварке надёжные неразъёмные соединения.

Срезаемость – способность материала поддаваться обработке резанием.

Перечислим основные эксплуатационные свойства материала.

Износостойкость – сопротивление материала уносу своих поверхностных частиц трущимся о них посторонним материалом.

Коррозионная стойкость – сопротивление материала разрушительному действию окружающей среды: кислорода, воды, агрессивных кислотных и щелочных сред.

Хладноломкость – возрастание хрупкости материала при понижении температуры.

Хладостойкость – сопротивление материала возрастанию хрупкости при температурах ниже 0°С. Это свойство противоположно хладноломкости.

Жаропрочность – сопротивление материала деформации и разрушению при высоких температурах.

Жаростойкость – сопротивление материала окислению в газовой среде при высоких температурах. Жаростойкость иначе называется окалиностойкостью (окалина – продукт окисления, образующийся при повышенной температуре на поверхности стали и некоторых других сплавов при взаимодействии со средой, содержащей кислород).

Теплостойкость – устойчивость материала против отпуска при нагреве в процессе работы.

Антифрикционность – свойство материала обеспечивать малое контактное трение.