Механические свойства, определяемые при статических испытаниях

Статическими называю испытания, при которых прилагаемая к образцу нагрузка возрастает медленно и плавно. К таким испытаниям относят ис­пытания на растяжение, сжатие, кручение, изгиб и определение твердости. Различные напряженные состояния, возникающие при том или другом методе статических испытаний, принято оценивать коэффициентом жестко­сти

где τ_тах – наибольшее касательное напряжение; S_max – наибольшее приве­денное нормальное (растягивающее) напряжение.

Чем больше S_max по сравнению с τ_тах, тем меньше значение α и тем более жесткое испытание.

Следует иметь в виду, что жесткость испытаний определяется не только коэффициентом α, но и свойствами того материала, который ис­пытывают.

В данном курсе рассматривается только испытание на растяжение – наиболее рас­пространенное для конструкционных сталей, цветных металлов и их спла­вов. За одно испытание устанавливается ряд важных качественных и расчетных механических характеристик образца.

В результате эксперимента получаем диаграмму растяжения (рисунок 19,а): кривая 1 характеризует поведение (деформацию) металла под дей­ствием напряжений, величина которых является условной (σ), ее вычис­ляют делением нагрузки Р в данный момент времени на первоначальную площадь поперечного сечения образца F₀ (σ = P/F₀, кгс/мм²). Кривая 2 описывает поведение (деформацию) металла под действием напряжений S, величина которых является истинной, ее вычисляют делением нагрузки Р в данный момент времени на площадь поперечного сечения образца в этот же момент. При испытании на растяжение обычно пользуются диа­граммой условных напряжений. Как видно из рис. 1, до точки А деформа­ция пропорциональна напряжению. Тангенс угла наклона прямой О А к оси абсцисс характеризует модуль упругости материала Е =σ/δ (δ - относи­тельная деформация). Модуль упругости Е определяет жесткость материа­ла, интенсивность увеличения напряжения по мере упругой деформации.

Рисунок 19. Диаграммы:

а – растяжения металлов для условных (—) и истинных (- - -) напряжений; I – область упругой деформаций; II – область пластической деформации; III— область раз­вития трещин; б — истинных напряжений

Физический смысл модуля упругости сводится к тому, что он характе­ризует сопротивляемость металла упругой деформации, т. е. смещению атомов из положения равновесия в решетке.

Модуль упругости весьма незначительно зависит от структуры металла и определяется силами межатомной связи. Все другие механиче­ские свойства являются структурно чувствительными и изменяются в зави­симости от структуры (обработки) в широких пределах.

Напряжение, соответствующее точке А, называют пределом пропорцио­нальности (σ_п.ц.).

Напряжения, не превышающие предела пропорциональности, практиче­ски вызывают только упругие деформации, поэтому нередко его отождест­вляют с условным пределом упругости ( ). Это не вполне точно, но приемлемо для многих случаев практики. Предел упругости определяется как напряжение, при котором остаточная деформация достигает 0,05% (или еще меньше) от первоначальной длины образца.

Напряжение, вызывающее остаточную деформацию, равную 0,2%, на­зывают условным пределом текучести ( ).

Предел текучести чаще всего выбирают в качестве одного из показате­лей прочности. Величины σ_п.ц и характеризуют сопротивление малым и умеренным деформациям. Дальнейшее повышение нагрузки вызывает более значительную пластическую деформацию во всем объеме металла. Напряжение, отвечающее наибольшей нагрузке, предшествующей разруше­нию образца, называют временным сопротивлением, или пределом прочно­сти .

У пластичных металлов, начиная с напряжения, отвечающего величине , деформация сосредоточивается в одном участке образца, где появляется местное сужение поперечного сечения, так называемая шейка. В результате множественного скольжения и пересечения дислокации в шейке образуется высокая плотность вакансий, укрупнение которых приводит к возникнове­нию пор. Сливаясь, поры образуют трещину, которая распространяется в направлении, поперечном оси растяжения, и в некоторый момент обра­зец разрушается (точка С на рисунке 19, а).

При испытании на растяжение определяют, кроме того, характеристики пластичности. К ним относятся относительное удлинение и относительное сужение

, где l₀, l_к – длина образца до и после разрушения; F₀ и F_K – площадь поперечного сечения образца до и после разрушения соответственно.

Твердость металлов

Определение твер­дости получило широкое применение в производствен­ных условиях, представляя собой наиболее простой и быстрый способ испытания механических свойств. Так как для измерения твердости испытывают поверхност­ные слои металла, то для получения правильного резуль­тату поверхность металла не должна иметь наружных дефектов (трещин, крупных царапин и т. д.). Существуют различные способы испытания на твер­дость. Ниже приведены три, наиболее распространенные из них.

Измерение твердости методом Бринелля.Сущность это­го способа заключается в том, что в поверхность испытуе­мого металла вдавливается стальной закаленный шарик диаметром 2,5; 5 или 10 мм под действием нагрузки со­ответственно 1,87; 7,5 и 30 кН. На поверхности образца остается отпечаток (рисунок 20, а), по диаметру которого определяют твердость. Диаметр отпечатка измеряют спе­циальной лупой с делениями. На практике пользуются специальными таблицами, которые дают перевод диамет­ра отпечатка в число твердости, обозначаемое НВ. Этот способ применяют главным образом для измерения твер­дости незакаленных металлов и сплавов: проката, поковок и отливок.

Рисунок 20. Измерение твердости методами

Бринелля (а), Роквелла (б) и Виккерса (в)

По твердости, измеренной этим методом, можно су­дить о прочности при растяжении, так как между твердо­стью и прочностью существует следующая зависимость: s_в = (0,34-0,36) НВ для поковок и проката; s_в = (0,3-0,4) НВ для стального литья; s_н = 0,12 НВ для серого чугуна. Та­ким образом, твердость может служить характеристикой прочностных свойств сплава.

Измерение твердости методом Роквелла. Измерение осуществляют путем вдавливания в испытуемый металл стального шарика диаметром 1,59 мм или конусного ал­мазного наконечника с углом при вершине 120° (рисунок 20, б).В отличие от метода Бринелля твердость по Роквеллу определяют не по диаметру отпечатка, а по глубине вдавливания шарика или конуса.

Вдавливание производится под действием двух по­следовательно приложенных нагрузок – предваритель­ной, равной 98,1 Н, и окончательной (общей) нагрузки, равной 98,1, 588,6 и 1471,5 Н. Твердость определяют по раз­ности глубин вдавливания отпечатков. Для испытания твердых металлов необходима нагрузка 1471,5 Н, а вдав­ливание стальным шариком нагрузкой 98,1 Н производят для определения твердости незакаленной стали, бронзы, латуни и других мягких материалов. Испытание сверх­твердых материалов производят алмазным наконечни­ком нагрузкой 588,6 Н. Глубина вдавливания измеряется автоматически, а твердость после измерения отсчитыва­ется по трем шкалам: А, В, С. Твердость (число твердо­сти) по Роквеллу обозначается следующим образом:

Определение твердости по методу Роквелла имеет широкое применение, так как дает возможность испытывать мягкие и твердые металлы; размер отпечатков очень незначителен, поэтому можно испытывать готовые детали без их порчи.

Измерение твердости методом Виккерса. Этот метод по­зволяет измерять твердость как мягких, так и очень твер­дых металлов и сплавов. Он пригоден для определения твердости очень тонких поверхностных слоев (толщи­ной до 0,3 мм). В этом случае в испытуемый образец вдав­ливается четырехгранная алмазная пирамида с углом при вершине 136° (рисунок 20, в). При таких испытаниях мож­но применять нагрузки от 50 до 1200 Н. Измерение отпе­чатка производят по длине диагонали отпечатка рассмат­риваемого под микроскопом, входящим в прибор для определения твердости. Число твердости по Виккерсу обозначают HV, его находят по формуле:

где Р – нагрузка, Н;

d – длина диагонали отпечатка, мм.

На практике число твердости HVнаходят по таблицам. Кроме указанных методов измерения твердости суще­ствуют способы определения микротвердости микроско­пически малых объемов металла.

В настоящее время разработан прогрессивный способ определения твердости с помощью ультразвука. На рисунке 21 представлена схема ультразвукового твердомера. Он со­стоит из преобразователя 1, волновода 2 с индикатором 3,на конце которого имеется алмазный наконечник, регистрирующего устройства 4 и генератора 5. Наконеч­ник вдавливается с незначительной фиксированной на­грузкой. Он соединен со стержнем, колеблющимся с резо­нансной частотой. Эта частота изменяется в зависимости от размера отпечатка алмазного наконечника и характери­зует твердость материала. Размер отпечатка незначитель­ный, его не следует определять под микроскопом, как в приборе Виккерса и при измерении микротвердости, незначительно повреждается поверхность, процесс изме­рения твердости может быть автоматизирован.

Рисунок 21. Схема устройства ультразвукового твердомера

Выводы по лекции

Механические свойстваопределяют способность металлов сопротивляться воздействию внешних сил (нагрузок). Они зависят от химического состава металлов, их структуры, способа технологической обработки и других факторов. Зная механические свойства, можно судить о поведении металла при обработке и в процессе работы конструкций и механизмов.

Дано определение таким понятиям, как напряжение и деформация, упругая и пластическая деформации, механизм пластической деформации, влияние пластической деформации на свойства металла. Показана методика статических испытаний на растяжение, определены основные виды напряжений. Рассмотрены основные способы испытания на твер­дость