Механические свойства металлов

Механические свойства определяют поведение металла под нагрузкой. Характеристики механических свойств получают при механических испытаниях. Для этого воздействуют на образец из данного материала какой-то силой и замеряют реакцию материала.

Под действием различных внешних сил металл деформируется и разрушается. Но величиной приложенной нагрузки нельзя охарактеризовать условия нагружения. Важно знать, на какую площадь поперечного сечения эта нагрузка действует.

За характеристику нагружения принимают напряжение – отношение силы к площади сечения, на которую она действует:

Напряжение, действующее на любую произвольно взятую площадку, можно разложить на нормальную составляющую σ, перпендикулярную площадке, и касательную t.

При одинаковой нагрузке P деформация стержней (рис. 30) будет разной: второй удлинится больше, так как площадь его поперечного сечения меньше.

так как Напряжение во втором стержне будет больше, поэтому он получит большую деформацию.

Напряжение, которое выдерживает металл, является его основной механической характеристикой, не зависящей от размеров изделия.

Прочность

Прочность – это способность металла сопротивляться деформации и разрушению под действием внешних и внутренних напряжений.

Государственные стандарты предусматривают получение характеристик прочности при испытаниях на растяжение, сжатие, изгиб, кручение. Все это – статические испытания, с постепенным, плавным возрастанием нагрузки.

Наиболее информативно испытание на растяжение на разрывной машине; его и проводят в большинстве случаев для получения стандартных характеристик прочности (рис. 32).

Разрывная машина снабжена устройством для записи так называемой диаграммы растяжения – графика зависимости между приложенной нагрузкой P и удлинением образца Dl (рис. 31). Современные машины имеют выход на компьютер, который не только записывает диаграмму, но и рассчитывает характеристики прочности.

При росте нагрузки P длина образца l изменяется нелинейно.

Из этого испытания можно получить следующие характеристики прочности:

предел упругости [МПа] – это наибольшее напряжение, после которого образец возвращается к прежней форме и размерам;

предел текучести [МПа] – это напряжение пластического течения металла без увеличения нагрузки;

предел прочности [МПа] – это наибольшее напряжение, которое металл выдерживает, не разрушаясь.

Истинный, или физический предел текучести определить трудно: не у всех металлов образуется «площадка текучести». Поэтому чаще всего определяют условный предел текучести , который вызывает остаточную деформацию 0,2 %: » .

Прочностные расчеты чаще ведут по пределу текучести, так как значительная пластическая деформация большинства деталей и конструкций недопустима. Но и предел прочности знать необходимо, так как он показывает, при каком напряжении начнется разрушение.

Пластичность

Пластичность – это способность металла деформироваться без разрушения.

Характеристики пластичности определяют из того же испытания на растяжение. Это

относительное удлинение [%]

и

относительное сужение [%], где

l₀ и l_К, мм – длина образца до и после испытания;

F₀ и F_К, мм² – начальная и конечная площадь поперечного сечения образца (рис. 32).

Относительное удлинение и относительное сужение являются одновременно и критериями надежности: материал, имеющий бóльшие значения d и y, более надежен.

Твердость

Твердость – это способность материала сопротивляться внедрению в него другого, более твердого тела.

Методы измерения, приборы, обозначение, единицы измерения твердости описаны в методических указаниях к лабораторной работе «Определение твердости металлов и сплавов». Изучить самостоятельно!

Вязкость

Вязкость – это способность материала сопротивляться разрушению при ударных, динамических нагрузках.

Характеристика вязкости определяется при испытании на ударный изгиб. Это, в отличие от всех предыдущих, динамическое испытание, при котором нагрузка прилагается к образцу с очень большой скоростью, за тысячные доли секунды.

Испытание проводится на маятниковом копре (рис. 33).

Тяжелый маятник, поднятый на определенный угол, отпускают. На пути движения маятника находится образец. Удар ножа маятника разрушает его. Произведенная при разрушении работа определяется как разность между потенциальной энергией маятника до и после испытания.

Ударная вязкость – это работа разрушения образца, отнесенная к площади поперечного сечения:

[Дж/м²], где

A_Р – работа разрушения,

F – площадь поперечного сечения образца.

Образец должен иметь надрез – концентратор напряжения. Обозначение ударной вязкости зависит от вида надреза (рис. 34).

Для одного и того же материала KCU > KCV > KCT, т. е. чем острее надрез, тем легче разрушается материал.

Ударная вязкость тоже является критерием надежности материала, гарантией, что он не будет разрушаться хрупко, внезапно.

Строго говоря, ударная вязкость является комплексной характеристикой, включающей удельную работу зарождения трещины a_з и удельную работу распространения трещины a_р. Для более достоверной оценки надежности материала методом экстраполяции определяют ударную вязкость при радиусе концентратора r, стремящемся к нулю. Это и будет работа распространения трещины a_р, позволяющая оценить надежность (зародыши трещин в материале есть почти всегда, вопрос в том, будут ли они расти).