Прочность металла это способность металла оказывать сопротивление
Обновлено: 30.06.2024
Классификация металлов и их основные механические свойства
Металлы – это химические элементы, которые обладают характерными металлическими свойствами.
В промышленности металлы используются в качестве конструкционных, инструментальных и электротехнических материалов. Металлы классифицируются по двум основным признакам:
- Химические свойства. Согласно данному признаку металлы делятся на щелочные (калий, литий, натрий), щелочноземельные (кальций, барий, стронций), переходные (титан, железо, никель, уран, молибден, кобальт, платина, вольфрам), постпереходные (алюминий, олово).
- Физические свойства и отрасли промышленности. Согласно данному признаку металлы делятся на тяжелые (медь, свинец, кобальт, ртуть, кадмий), тугоплавкие (вольфрам, молибден), цветные (медь, олово, цинк, свинец, никель), благородные (серебро, олово, металлы платиновой группы).
К основным механическим свойствам металлов относятся:
- Твердость. Данное свойство металла заключается в способности металла оказывать сопротивление пластической деформации при проникновении в него более твердого тела.
- Прочность. Данное свойство металла заключается в способности металла сопротивляться разрушениям и деформациям. Под разрушением в данном случае понимается процесс развития в металле трещин, которые становятся причиной его разделения на части. Под деформацией понимается изменение размеров и формы тела под действием внутренних сил или внешних воздействий.
- Пластичность. Данное свойство металла заключается в его способности к получению остаточных изменений размеров и формы без нарушения сплошности, то есть способность металла к пластической деформации.
- Вязкость. Данное свойство металла заключается в его способности поглощать механическую энергию внешних сил благодаря пластической деформации.
Определение механических свойств металлов, испытание на растяжение и трещиностойкость
Готовые работы на аналогичную тему
Все методы, которые используются для определения механических свойств металлов делятся на три группы: циклические, статические и динамические. При циклических методах нагрузка многократно изменяется по направлению и величине, в данном случае определяется усталость. При статических методах нагрузка растет плавно и медленно. Благодаря статическим методам можно определить твердость и способности на растяжение, изгиб, кручение, сжатие. При динамических методах нагрузка возрастает с большой скоростью.
При испытании на растяжение определяются предел текучести, предел прочности, относительное сужение и относительное удлинение. Данное испытание проводятся при помощи разрывных машин. В результате измерений получается диаграмма, пример которой изображен на рисунке ниже. На оси ординат отмечаются нагрузки, прилагаемые к исследуемому образцу, а на оси абсцисс указываются значения деформации.
Рисунок 1. Диаграмма. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
Предел прочности металла представляет собой его способность выдерживать нагрузку без разрушения. При растяжении образец удлиняется, а поперечное сечение образца непрерывно уменьшается. Истинное напряжение определяется посредством деления действующей в определенный момент нагрузки на площадь образца в данный момент. В современной практике истинное напряжение не определяется.
Предел текучести - нагрузка, при которой происходит пластическая деформация. У большинства сплавов в случае испытания на растяжение на диаграммах отсутствует площадка текучести. Поэтому определяется условный предел текучести, соответствующий пластической деформации 0,2 %. Под пределом упругости имеется в виду напряжение, при котором пластическая деформация достигает заданного значения. Как правило используются значения остаточной деформации 0,005, 0,02, 0,05 %. Таким образом, например:
где: Рпр - нагрузка, при которой остаточное удлинение составляет 0,05 %; F0 - площадь поперечного сечения испытуемого образца.
Пластичность металла характеризуется относительным сужением и относительным удлинением:
где: d - относительное удлинение; у - относительное сужение; lk - конечная длина образца; l0 - начальная длина образца; F0 - начальная площадь поперечного сечения; Fк - площадь поперечного сечения в месте разрыва.
Для малопластичных металлов испытания на растяжение сопровождаются некоторыми затруднениями, потому что незначительные перекосы являются причиной существенных погрешностей при определении разрушающей способности. Потому такие металлы, обычно подвергаются испытанию на изгиб.
Трещиностойкость – это способность металла сопротивляться распространению трещин.
Трещиностойкость характеризуется коэффициентом интенсивности напряжений. Он определяется экспериментально на образце, на дне которого инициирована усталостная трещина. Чтобы рассчитать данный коэффициент фиксируют усилие в момент роста трещины на некоторую величину и перехода к ее нестабильному распространению.
Нужны еще материалы по теме статьи?
Воспользуйся новым поиском!
Найди больше статей и в один клик создай свой список литературы по ГОСТу
Автор этой статьи Дата последнего обновления статьи: 03.04.2022
Эксперт по предмету «Материаловедение» , преподавательский стаж — 5 лет
Автор24 - это сообщество учителей и преподавателей, к которым можно обратиться за помощью с выполнением учебных работ.
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА МЕТАЛЛОВ
Механические свойства характеризуют способность металлов и сплавов сопротивляться действию внешних сил - статистических и динамических, растягивающих, сжимающих, изгибающих, скручивающих, которые вызывают различные виды деформации.
Основными механическими свойствами металлов являются ударная, вязкость, прочность , твердость, пластичность, хрупкость , выносливость и др.
Механические свойства металлов устанавливаются при статистическом и динамическом нагружении.
Прочностью называется способность металлов сопротивляться разрушающему воздействию внешних сил. В зависимости от направления действия сил различают прочность на растяжение, сжатие, изгиб и др. Предел текучести - свойство металла сопротивляться деформации. Чем выше прочность металла, тем меньше размеры изделия и расход металла на изделие.
Твердостьхарактеризует свойство металла сопротивляться вдавливанию в него другого, более твердого тела, Металлы и сплавы, обладающие высокой твердостью, применяются для производства режущего инструмента и различных деталей, подверженных сильному износу.
Вязкость - свойство материла поглощать энергию внешних сил за счет пластической деформации.
Упругостьюназывается свойство металлов и сплавов восстанавливать свою форму и размеры после прекращения действия внешней силы. Упругость имеет важное значение для материалов, которые используются для изготовления пружин, рессор, мостовых ферм и др.
Пластичность характеризует свойство металлов изменять свою форму и размеры под действием внешних сил, не разрушаясь. Пластичность выражается относительным удлинением и сужением определяемыми при растяжении стандартных образцов.
Хрупкость - это свойство металлов и сплавов разрушаться под действием внешних сил без достаточной деформации.
Выносливостьюназывается свойство металла сопротивляться действию переменных по величине и направлению многократных нагрузок. Материалы, обладающие большой выносливостью применяются для изготовления коленчатых валов и шатунов двигателей , деталей паровых машин и др.
Кручение характеризует сопротивление металлов действию крутящего момента.
Технологические свойства определяют способность металлов и сплавов подвергаться различным видам обработки. Значение технологических свойств металлов при изучении влияния различных методов изготовления изделий на их свойства. Основными технологическими свойствами являются ковкость, свариваемость, прокаливаемость, жидко-текучесть и др.
Ковкость- способность металлов и сплавов подвергаться различным видам обработки давлением (прокатке, волочению, ковке, штамповке) без разрушения. Ковкость характеризуется пластичностью и сопротивлением деформации.
Свариваемость -способность металлов и сплавовобразовывать прочные сварные соединения, обладающие теми же свойствами, что свариваемые металлы. Хорошо свариваются малоуглеродистые и низколегированные стали, удовлетворительно - среднеуглеродистые и среднелегированные стали. Низкая свариваемость высоколегированных сталей и чугунов вызывает необходимость применения специальных сварочных материалов, предварительного подогрева, термообработки и т.д. , что повышает себестоимость процесса, снижает качество сварных соединений.
Прокаливаемость характеризуется способностью металла или сплава закаливаться на определенную глубину. При низкой прокаливаемости прочность материала по сечению неодинаковая, что приводит к снижению срока эксплуатации деталей машин и механизмов.
Жидко текучестьюназывается способностью металлов и сплавов в расплавленном состоянии хорошо заполнять полость литейной формы и точно воспроизводить очертания отливки. Высокая жидкотекучесть материала обеспечивает получение высококачественных и плотных отливок, снижение в них газовых и усадочных раковин и т.п.
Обрабатываемость резаниемопределяется способностью металлов и сплавов поддаваться обработке режущим инструментом. При хорошей обрабатываемости металла резанием режущий инструмент легко и быстро снимает припуск на обработку, полученная деталь имеет необходимую точность и чистоту поверхности, тогда как при плохой обрабатываемости резанием снижается стойкость инструмента, повышающая энергетические и трудовые затраты.
СТАЛИ
Все стали можно разделить на углеродистые и легированные. Углеродистые стали, являются основным конструкционным материалом, используемым в промышленности, эти стали проще в производстве и значительно дешевле легированных. Свойства углеродистых сталей определяется количеством углерода и содержанием примесей, которые взаимодействуют и с железом и с углеродом. Механические свойства углеродистых сталей зависят главным образом от содержания углерода. С увеличением содержания углерода увеличивается прочность и твердость, уменьшается пластичность. Кроме углерода в стали обязательно присутствуют другие элементы, наличие которых обусловлено разными причинами. Различают примеси - постоянные, скрытые, случайные и специальные (легированные).
Постоянные примеси - это кремний, марганец, фосфор и сера. Марганец, кремний вводят в процессе выплавки в сталь для раскисления. Сера - вредная примесь и попадает в сталь с исходным сырьём. Содержание серы в стали, допускается не более 0,06 %. Фосфор также попадает в сталь с чугуном, поэтому также является вредной примесью. Его содержание в сталях допускается до 0,05 %. Чем больше углерода в стали, тем сильнее влияние фосфора на её хрупкость. Содержание фосфора и серы в стали зависит от способа её выплавки. Кремний до 0.5 % , марганца до 0.8 % .
Скрытые примеси - это газы: азот, кислород, водород. Газы попадают в сталь при её выплавке, даже в очень маленьких количествах газы сильно ухудшают пластические свойства стали. Содержание их допускается до 0.001 %. В результате вакуумирования стали, их содержание уменьшается, и свойства стали усиливаются.
Случайные примеси - могут быть любые элементы металлов, которые попадают при выплавке стали. Содержание этих элементов ниже тех пределов, когда их вводят специально. Если они не влияют, на качество стали, то их не выводят из состава стали.
Специальные примеси - это элементы, специально вводимые в сталь для получения каких либо заданных свойств. Такие элементы называют легирующими. А стали их содержащие -легированными.
Сталь является легированной, если содержание легирующего элемента составляет 1 % и более.
Стали классифицируются по следующим признакам: по способу производства, степени раскисления, химическому составу, назначению, качеству и структуре.
Механические свойства металлов
Изменение нагрузки потребителей в сети может быть различным . При малом изменении нагрузки требуется небольшой резерв мощности. В этих случаях автоматическое регулирование частоты одной так называемой частотно-регулируемой станцией.
При больших изменениях нагрузки, автоматическое регулирование частоты должно быть предусмотрено на значительном числе станций. Для этого составляются графики изменения нагрузок электростанций.
При отключении мощных линий электропередач в послеаварийных режимах, система может оказаться разделенной на отдельно не синхронно работающие части.
На электростанциях, на которых мощности может оказаться не достаточно, произойдет снижение производительности оборудования собственных нужд (питательных и циркуляционных насосов), следовательно вызовет значительное снижение мощности станции , вплоть до выхода ее из строя.
В подобных случаях для предотвращения аварий предусматриваются устройства АЧР, отключающие в таких случаях часть менее ответственных потребителей, а после включения резервных источников питания, устройства ЧАПВ включают отключенных потребителей.
Механические свойства характеризуют способность материала сопротивляться деформации (упругой и пластической) и разрушению. Для металлов и сплавов, работающих как конструкционные материалы, эти свойства являются определяющими. Выявляют их испытаниями при воздействии внешних нагрузок.
Количественные характеристики механических свойств: упругость, пластичность, прочность, твердость, вязкость, усталость, трещиностойкость, хладостойкость, жаропрочность. Эти характеристики необходимы для выбора материалов и режимов их технологической обработки, расчетов на прочность деталей и конструкций, контроля и диагностики их прочностного состояния в процессе эксплуатации.
Под действием внешней нагрузки в твердом теле возникают напряжение и деформация.
Напряжение - это нагрузка (сила) P, отнесенная к первоначальной площади поперечного сечения F0 образца:
Деформация - это изменение формы и размеров твердого тела под действием внешних сил или в результате физических процессов, возникающих в теле при фазовых превращениях, усадке и т.п. Деформация может быть упругая (исходные размеры образца восстанавливаются после снятия нагрузки) и пластическая (сохраняется после снятия нагрузки).
Напряжение s измеряют в паскалях (Па), деформацию e - в процентах (%) относительного удлинения (Dl/l)×100 или сужения площади сечения (DS/S)×100.
При все возрастающей нагрузке упругая деформация, как правило, переходит в пластическую, и далее образец разрушается (рис.1). В зависимости от способа приложения нагрузки методы испытания механических свойств металлов, сплавов и других материалов делятся на статические, динамические и знакопеременные.
Прочность - способность металлов оказывать сопротивление деформации или разрушению статическим, динамическим или знакопеременным нагрузкам. Прочность металлов при статических нагрузках испытывают на растяжение, сжатие, изгиб и кручение. Испытание на разрыв является обязательным. Прочность при динамических нагрузках оценивают удельной ударной вязкостью, а при знакопеременных нагрузках - усталостной прочностью.
Прочность при испытании на растяжение оценивают следующими характеристиками (рис.1).
Предел прочности на разрыв (предел прочности или временное сопротивление разрыву) sв - это напряжение, отвечающее наибольшей нагрузке Рmax, предшествующей разрушению образца:
Эта характеристика является обязательной для металлов.
Предел пропорциональности sпц - это условное напряжение Рпц, при котором начинается отклонение от пропорциональной зависимости между деформацией и нагрузкой:
Предел текучести sт - это наименьшее напряжение Рт, при котором образец деформируется (течет) без заметного увеличения нагрузки:
Условный предел текучести s0,2 - напряжение, после снятия которого остаточная деформация достигает величины 0,2 %.
Если же на кривой напряжение - деформация за пределом упругости образуется площадка текучести (рис.1), то за предел текучести sт принимают напряжение, отвечающее площадке текучести.
Если после того, как напряжение превысило sт, его снять, то деформация уменьшится по пунктирной линии. Отрезок ОО ¢ показывает остаточную пластическую деформацию.
Величина sт чрезвычайно чувствительна к скорости деформации (продолжительности действия нагрузки) и к температуре. Если прикладывать к материалу напряжение меньше sт в течение длительного времени, то оно может вызвать пластическую (остаточную) деформацию. Это медленное и непрерывное пластическое деформирование воздействием постоянной нагрузки называют ползучестью (криппом).
Пластичность - свойство металлов деформироваться без разрушения под действием внешних сил и сохранять измененную форму после снятия этих сил. Пластичность - одно из важных механических свойств металла, которое в сочетании с высокой прочностью делает его основным конструкционным материалом. Ее характеристиками являются относительное удлинение перед разрывом d и относительное сужение перед разрывом y. Эти характеристики определяют при испытании металлов на растяжение, а их численные значения вычисляют по формулам (в процентах):
где l0 и lр - длина образца до и после разрушения соответственно;
F0и Fр - площадь поперечного сечения образца до и после разрушения.
Упругость - свойство металлов восстанавливать свою прежнюю форму после снятия внешних сил, вызывающих деформацию. Упругость - свойство, обратное пластичности.
Твердость - способность металлов оказывать сопротивление проникновению в них более твердого тела. Испытания на твердость - самый доступный и распространенный вид механических испытаний. Наибольшее применение в технике получили статические методы испытания на твердость при вдавливании индентора: метод Бринелля, метод Виккерса и метод Роквелла. Твердость, согласно этим методам, определяют следующим образом.
По Бринеллю - в испытуемый образец с определенной силой вдавливается закаленный стальной шарик диаметром D под действием нагрузки P, и после снятия нагрузки измеряется диаметр отпечатка d (рис.2,а). Число твердости по Бринеллю - НВ, характеризуется отношением нагрузки P, действующей на шарик, к площади поверхности сферического отпечатка M:
Чем меньше диаметр отпечатка d, тем больше твердость образца. Диаметр шарика D и нагрузку P выбирают в зависимости от материала и толщины образца. Метод Бринелля не рекомендуется применять для материалов с твердостью более 450 HB, так как стальной шарик может заметно деформироваться, что внесет погрешность в результаты испытаний.
При испытании на твердость по методу Виккерса в поверхность материала вдавливается алмазная четырехгранная пирамида с углом при вершине a = 136° (рис.2,б). После снятия нагрузки вдавливания измеряется диагональ отпечатка d1. Число твердости по Виккерсу HV подсчитывается как отношение нагрузки Р к площади поверхности пирамидального отпечатка М:
Число твердости по Виккерсу обозначается символом HV с указанием нагрузки Р и времени выдержки под нагрузкой, причем размерность числа твердости (кгс/мм 2 ) не ставится. Продолжительность выдержки индентора под нагрузкой принимают для сталей 10-15 с, а для цветных металлов - 30 с. Например, 450 HV10/15 означает, что число твердости по Виккерсу 450 получено при Р = 10 кгс (98,1 Н), приложенной к алмазной пирамиде в течение 15 с.
Преимущество метода Виккерса по сравнению с методом Бринелля заключается в том, что методом Виккерса можно испытывать материалы более высокой твердости из-за применения алмазной пирамиды.
При испытании на твердость по методу Роквелла в поверхность материала вдавливается алмазный конус с углом при вершине 120° или стальной шарик диаметром 1,588 мм. Однако, согласно этому методу, за условную меру твердости принимается глубина отпечатка. Схема испытания по методу Роквелла показана на рис.2,в. Вначале прикладывается предварительная нагрузка Р0,под действием которой индентор вдавливается на глубину h0. Затем прикладывается основная нагрузка Р1, под действием которой индентор вдавливается на глубину h1. После этого снимают нагрузку Р1,но оставляют предварительную нагрузку Р0.
При этом под действием упругой деформации индентор поднимается вверх, но не достигает уровня h0. Разность (h – h0) зависит от твердости материала; чем тверже материал, тем меньше эта разность. Глубина отпечатка измеряется индикатором часового типа с ценой деления 0,002 мм. При испытании мягких металлов методом Роквелла в качестве индентора применяется стальной шарик. Последовательность операций такая же, как и при испытании алмазным конусом. Число твердости, определенное методом Роквелла, обозначается символом HR. Однако в зависимости от формы индентора и значений нагрузок вдавливания к этому символу добавляется буква А, С, или В, обозначающая соответствующую шкалу измерений.
Числа твердости по Роквеллу определяют в условных единицах по формулам:
где 100 и 130 - предельно заданное число делений индикатора часового типа с ценой деления 0,002 мм.
Трещиностойкость - свойство материалов сопротивляться развитию трещин при механических и других воздействиях.
Трещины в материалах могут быть металлургического и технологического происхождения, а также возникать и развиваться в процессе эксплуатации. В случае возможности хрупкого разрушения для безопасной работы элементов конструкций необходимо количественно оценивать размеры допустимых трещиноподобных дефектов.
Количественной характеристикой трещиностойкости материала является критический коэффициент интенсивности напряжений в условиях плоской деформации в вершине трещины KIс.
Многие конструкции при эксплуатации испытывают ударные нагрузки. Для решения вопроса об их долговечности и надежности в этих условиях очень важными являются результаты динамических испытаний (нагрузка прилагается ударом с большой силой).
Переход от статических нагружений к динамическим вызывает изменение всех свойств металлов и сплавов, связанных с пластической деформацией.
Для оценки склонности материала к хрупкому разрушению применяют испытания на ударный изгиб образцов с надрезом, в результате которых определяют ударную вязкость.
Ударная вязкость - работа, затраченная при динамическом разрушении надрезанного образца, отнесенная к площади поперечного сечения в месте надреза.
Вязкость - свойство, обратное хрупкости. Ударная вязкость ответственных деталей должна быть высокой.
Кроме числовых значений, получаемых при испытании на удар, важным критерием является характер излома. Волокнистый матовый излом без характерного металлического блеска свидетельствует о вязком разрушении. Хрупкое разрушение дает кристаллический блестящий излом.
Ударная вязкость зависит от многих факторов. Наличие в изделиях резких переходов в сечении, надрезов, вырезов и т. п. вызывает неравномерное распределение напряжений по сечению и их концентрацию. Ударная вязкость зависит также и от состояния поверхности образца. Риски, царапины, следы механической обработки и другие дефекты снижают ударную вязкость.
Динамическое нагружение вызывает повышение предела упругости и предела текучести, не переводя материал в хрупкое состояние. Но при понижении температуры, сопротивление удару резко уменьшается. Это явление называется хладоломкостью.
К хладоломким металлам относятся металлы с объемноцентрированной кубической решеткой (например, a-Fe, Mo, Cr). Для этой группы металлов при определенной минусовой температуре наблюдается резкое снижение ударной вязкости. К нехладоломким металлам можно отнести металлы с гранецентрированной кубической решеткой (g-Fe, Al, Ni и др.). Хладоломкость у крупнозернистого материала наступает при более высокой температуре, чем у мелкозернистого.
Характер падения ударной вязкости напоминает порог, что привело к выражению «порог хладоломкости».
Температура, при которой происходит определенное падение ударной вязкости, называется критической температурой хрупкости Tкр.
Большинство разрушений деталей и конструкций при эксплуатации происходит в результате циклического нагружения. Причем в ряде случаев разрушение происходит при напряжениях, лежащих ниже предела упругости.
Усталость - процесс постепенного накопления повреждений в материале при действии циклических нагрузок, приводящий к образованию трещин и разрушению.
Термин «усталость» часто заменяют термином «выносливость», который показывает сколько перемен нагрузок может выдержать металл или сплав без разрушения. Сопротивление усталости характеризуется пределом выносливости s-1. Число циклов условно принято для сталей равным 10 7 , для цветных металлов - 10 -8 .
Явление усталости наблюдается при изгибе, кручении, растяжении-сжатии и при других способах нагружения.
Большое влияние на выносливость оказывают микроскопическая неоднородность, неметаллические включения, газовые пузыри, химические соединения, а также надрезы, риски, царапины, наличие обезуглероженного слоя и следов коррозии на поверхности изделий, которые приводят к неравномерному распределению напряжений и снижают сопротивление материала повторно-переменным нагрузкам.
Износостойкость - сопротивление металлов изнашиванию вследствие процессов трения. Износ заключается в отрыве с трущейся поверхности отдельных ее частиц и определяется по изменению геометрических размеров или массы детали.
Усталостная прочность и износостойкость дают наиболее полное представление о долговечности деталей в конструкциях, а ударная вязкость и трещиностойкость характеризует надежность этих деталей.
Жаропрочность - способность металлов и сплавов длительно сопротивляться началу и развитию пластической деформации и разрушению под действием постоянных нагрузок при высоких температурах. Предел кратковременной прочности, предел ползучести и предел длительной прочности - численные характеристики жаропрочности.
Поведение металла под нагрузкой определяется его механическими свойствами (прочностью, пластичностью, твердостью, упругостью, жесткостью, вязкостью). Методы испытаний механических свойств в зависимости от характера действия нагрузки делят на три группы: статические, когда нагрузка возрастает медленно (плавно); динамические – нагрузка возрастает с большой скоростью (мгновенно) – удар; циклические – при повторно-переменных нагрузках, когда нагрузка многократно изменяется по величине и знаку (испытания на усталость).
Механические свойства металлов при статическом нагружении.В результате испытаний определяют следующие характеристики металлов: прочность, пластичность, твердость, упругость, жесткость.
Прочность – свойство металла сопротивляться пластической деформации и разрушению под действием внешних сил. В зависимости от способа статического нагружения различают прочность при растяжении, сжатии и изгибе.
Испытания на растяжение. Для испытаний применяют специальные цилиндрические или плоские образцы. Расчетная длина образца равна десяти- или пятикратному диаметру. Образец закрепляют в испытательной машине и нагружают. Результаты испытаний отражают на диаграмме растяжения.
На диаграмме растяжения пластичных металлов (рис. 13, а) можно выделить три участка: ОА – прямолинейный, соответствующий упругой деформации; АВ – криволинейный, соответствующий упругопластической деформации при возрастании нагрузки; ВС – соответствующий упругопластической деформации при снижении нагрузки. В точке С происходит разрушение образца с разделением его на две части.
От начала деформации (точка О) до точки А образец деформируется пропорционально приложенной нагрузке. Участок ОА – прямая линия. Максимальное напряжение, не превышающее предела пропорциональности, практически вызывает только упругую деформацию, поэтому его часто называют пределом упругости металла.
 |
Рис. 13. Диаграмма растяжения пластичных металлов:
а – с площадкой текучести; б – без площадки текучести
При испытании пластичных металлов на кривой растяжения образуется площадка текучести АА¢. В этом случае напряжение, отвечающее этой площадке, sт называют физическим пределом текучести. Физический предел текучести – это наименьшее напряжение, при котором металл деформируется (течет) без заметного изменения нагрузки.
Напряжение, вызывающее остаточную деформацию, равную 0,2 % от первоначальной длины образца, называют условным пределом текучести (σ0,2).
Участок А¢В (см. рис 13, а) соответствует дальнейшему повышению нагрузки и более значительной пластической деформации во всем объеме металла образца. Напряжение, соответствующее наибольшей нагрузке (точка В), предшествующей разрушению образца, называют временным сопротивлением, или пределом прочности при растяжении σв. Это характеристика статической прочности:
где Рmax – наибольшая нагрузка (напряжение), предшествующая разрушению образца, МПа;
F0 – начальная площадь поперечного сечения образца, м 2 .
У пластичных металлов, начиная с напряжения σв, деформация сосредоточивается (локализуется) в одном участке образца, где появляется сужение, так называемая шейка. В результате развития множественного скольжения в шейке образуется множество вакансий и дислокаций, возникают зародышевые несплошности. Сливаясь, они образуют трещину, которая распространяется в поперечном направлении растяжению, и образец разрушается (точка С). Кривая растяжения образца без площадки текучести показана на рис. 13, б.
Пластичность – свойство металла пластически деформироваться, не разрушаясь под действием внешних сил. Это одно из важных механических свойств металла, которое в сочетании с высокой прочностью делает его основным конструкционным материалом. Для определения пластичности не требуется образцов и оборудования. После испытания металла на растяжение эти же образцы измеряют и определяют характеристики пластичности. Показатели пластичности – относительное удлинение δ и относительное сужение ψ.
Относительным удлинением δ называется отношение абсолютного удлинения, т. е. приращения расчетной длины образца после разрыва (l – l0), к его первоначальной расчетной длине l0, выраженное в процентах:
где l0 – первоначальная длина образца, мм;
l – длина образца после разрыва, мм.
Относительным сужением y называется отношение абсолютного сужения, т. е. уменьшения площади поперечного сечения образца после разрыва (Fо – F), к первоначальной площади его поперечного сечения, выраженное в процентах:
где F0 – первоначальная площадь поперечного сечения образца, мм 2 ;
F – площадь поперечного сечения образца после разрыва, мм 2 .
Твердость – свойство металла сопротивляться внедрению в него другого более твердого тела. Для определения твердости часто не требуется изготовления специальных образцов, испытания проводятся без разрушения металла.
Твердость металла можно определять прямыми и косвенными методами: вдавливанием, царапаньем, упругой отдачей, магнитным методом. Прямые методы состоят в том, что в металл вдавливают твердый наконечник (индентор) различной формы из закаленной стали, алмаза или твердого сплава (шарик, конус, пирамида). После снятия нагрузки на индентор в металле остается отпечаток, размер которого характеризует твердость.
Существует множество методов определения твердости металлов. Но лишь некоторые из них нашли широкое применение в машиностроении. Все они названы в честь своих создателей.
Метод Бринелля. В плоскую поверхность металла вдавливается стальной закаленный шарик диаметром 10; 5 или 2,5 мм (рис. 14, а). После снятия нагрузки в металле остается отпечаток (лунка). Диаметр отпечатка d измеряют специальным микроскопом с точностью 0,05 мм. На практике пользуются специальной таблицей, в которой каждому диаметру отпечатка соответствует определенное число твердости НВ.
Метод Бринелля не рекомендуется применять для металлов с твердостью более НВ450, так как шарик может деформироваться и получится искаженный результат. Этот метод в основном используется для измерения твердости неупрочненного металла заготовок и полуфабрикатов.
Метод Роквелла. Твердость определяют по глубине отпечатка. Наконечником служит стальной закаленный шарик диаметром 1,58 мм для мягких металлов или алмазный конус с углом при вершине 120° – для твердых и сверхтвердых (более HRC70) металлов (рис. 14, б).
Шарик и конус вдавливаются в металл нагрузкой 60, 100 или 150 кг. Отсчет результатов измерений определяется по показанию стрелки на шкале индикатора твердомера (рис. 15, а). После включения нагрузки стрелка перемещается по шкале индикатора твердомера (рис. 15, б) и указывает значение твердости (рис. 15, в).
Рис. 15. Показания индикатора прибора ТК
При вдавливании стального шарика нагрузка – 100 кг (отсчет по внутренней (красной) шкале индикатора), твердость обозначают как НRВ. При вдавливании алмазного конуса отсчет твердости осуществляется по показанию стрелки на наружной (черной) шкале индикатора (см. рис. 15, в). Нагрузка 150 кг – для твердых металлов. Это основной метод измерения твердости закаленных сталей. Обозначение твердости – НRC. Для очень твердых металлов, а также мелких деталей нагрузка – 60 кг, обозначение твердости – НRА.
Определение твердости по Роквеллу дает возможность испытывать мягкие и твердые металлы, а отпечатки от шарика или конуса очень малы, поэтому можно измерять твердость готовых деталей. Измерения не требуют никаких вычислений – число твердости читается на шкале индикатора твердомера. Поверхность для испытания должна быть шлифованной.
Метод Виккерса. В испытуемую поверхность (шлифованную или полированную) вдавливается четырехгранная алмазная пирамида под нагрузкой 5, 10, 20, 30, 50, 100 кг. В металле остается квадратный отпечаток. Специальным микроскопом твердомера измеряют величину диагонали отпечатка (рис. 16). Зная нагрузку на пирамиду и величину диагонали отпечатка, по таблицам определяют твердость металла, обозначаемую как HV.
Этот метод универсальный. Его можно использовать для определения твердости деталей малой толщины и тонких поверхностных слоев большой твердости (после азотирования, нитроцементации и т. п.). Чем тоньше металл, тем меньше должна быть нагрузка на пирамиду, но чем больше нагрузка, тем точнее получаемый результат.
Прочность при динамическом нагружении(испытания на ударную вязкость – на удар).В процессе эксплуатации многие детали машин испытывают динамические (ударные) нагрузки. Для определения стойкости металла к удару и одновременной оценки его склонности к хрупкому разрушению проводят испытания на ударный изгиб. В результате определяют ударную вязкость – характеристику динамической прочности.
Для определения ударной вязкости применяют 20 типов образцов (обычно размером 10 ´ 10 ´ 55 мм) с U- или V-образным надрезом. Надрез посередине образца называется концентратором. Испытания проводят на маятниковом копре 1 (рис. 17, а). Маятник 2, падая с определенной высоты, разрушает образец 3, свободно установленный на двух опорах копра (рис. 17, б). Работа удара К (Дж или кгс×м), затраченная на излом (разрушение) образца, фиксируется стрелкой на шкале копра и определяется из разности энергии маятника в положении его до и после удара. Ее можно определить по формуле:
К = G (h1 – h2), (6)
где G – вес маятника, Н;
h1 – высота подъема маятника до разрушения образца, м;
h2 – высота подъема маятника после разрушения, м.
Ударная вязкость обозначается КС (прежнее обозначение – aн) и подсчитывается как отношение работы, затраченной на разрушение образца К, к площади поперечного сечения образца в месте надреза F, МДж/м 2 :
КС (aн) = К / F. (7)
Если образец имеет U-образный надрез, то в обозначение ударной вязкости добавляется буква U (КСU), а если V-образный, то добавляется буква V (КСV). Например, KCU = 1 кгс×м/см 2 = 98 кДж/м 2 .
 |
Определение ударной вязкости является наиболее простым и показательным способом оценки способности металлов, имеющих объемно центрированную кубическую решетку, к хрупкости при работе в условиях низких температур, называемой хладноломкостью.
Практически хладноломкость определяют при испытании на удар серии образцов при нескольких понижающихся значениях температуры (от комнатной до минус 100°С). Результаты испытаний наносят на график в координатах «ударная вязкость – температура испытания». Температура, при которой происходит падение ударной вязкости, называется критической температурой хрупкости, или порогом хладноломкости. Порог хладноломкости – отрицательная температура, при которой металл переходит из вязкого состояния в хрупкое.
Прочность при циклическом нагружении(испытания на усталость). Многие детали (валы, рессоры, рельсы, шестерни) в процессе работы подвергаются повторно-переменным нагрузкам. Разрушение таких деталей при эксплуатации происходит в результате циклического нагружения при напряжении, значительно меньшем, чем временное сопротивление металла. Процесс постепенного накопления напряжения в металле при действии циклических нагрузок, приводящий к образованию трещин и разрушению, называется уста-лостью. Свойство металла выдерживать большое число циклов переменных напряжений, т. е. противостоять усталости, называется выносливостью, или циклической (усталостной) прочностью.
Усталостная прочность – способность металла сопротивляться упругим и пластическим деформациям при переменных нагрузках. Она характеризуется наибольшим напряжением s-1, которое выдерживает металл при бесконечно большом числе циклов нагружения не разрушаясь и называется пределом усталости, или пределом выносливости. Для углеродистой конструкционной стали предел усталости принимается равным (0,4 – 0,5) sв.
Значение предела выносливости зависит от целого ряда факторов: степени загрязненности металла неметаллическими включениями, макро- и микроструктуры металла, состояния поверхности, формы и размеров детали и др.
Разрушение металлов при усталости отличается от разрушения при однократных нагрузках особым видом излома. При знакопеременной нагрузке происходит постепенное накопление напряжения, обусловленное движением дислокаций. Поверхность детали, как наиболее нагруженная часть сечения, претерпевает микродеформацию, и в наклепанной (упрочненной деформацией) зоне возникают микротрещины. Из множества микротрещин развитие получает только та, которая имеет наиболее острую вершину и наиболее благоприятно расположена по отношению к действующему напряжению.
Пораженная трещиной часть сечения детали не несет нагрузки, и она перераспределяется на оставшуюся часть, которая непрерывно уменьшается, пока не произойдет мгновенное разрушение. Таким образом, для усталостного излома характерно, как минимум, наличие зоны прогрессивно растущей трещины 1 и зоны долома 2 (рис. 18).
Важной характеристикой конструктивной прочности (надежности) металла является живучесть при циклическом нагружении.
Живучесть – это способность металла работать в поврежденном состоянии после образования трещины. Она измеряется числом циклов нагружения до разрушения или скоростью развития трещины усталости при данном напряжении. Живучесть является самостоятельным свойством, которое не зависит от других свойств металла. Живучесть имеет важное значение для оценки работоспособности деталей, работа которых контролируется различными методами дефектоскопии. Чем меньше скорость развития трещины усталости, тем легче ее обнаружить.
Для повышения усталостной прочности деталей желательно в поверхностных слоях металла создавать напряжение сжатия методами поверхностного упрочнения (механическими, термическими или химико-термическими).
3. металлические сплавы
Чистые металлы в большинстве случаев не обеспечивают требуемого комплекса механических и технологических свойств, поэтому для изготовления деталей машин наибольшее распространение получили металлические сплавы – вещества, обладающие металлическими свойствами, представляющие собой сочетание какого-либо металла (основа сплава) с другими металлами или неметаллами. Например, латунь – сплав меди (металл) с цинком (металл), сталь – сплав железа (металл) с углеродом (неметалл). Большинство сплавов получают путем сплавления, т. е. соединения компонентов сплава в жидком состоянии. Есть и другие способы образования сплавов. Так, металлокерамические сплавы образуются путем спекания из порошков.
Свойства и методы испытания металлов
Свойства металлов принято подразделять на механические, физические, химические, технологические и эксплуатационные.
Механические свойства. Механические свойства характеризуют способность материала сопротивляться действию внешних сил. К основным механическим свойствам относятся прочность, твердость, ударная вязкость, упругость, пластичность и др.
Прочность – способность тела сопротивляться деформации и разрушению под действием внешних нагрузок.
Твердость – способность материала сопротивляться проникновению в него другого, более твердого тела, не получающего остаточной деформации.
Вязкость – способность материала сопротивляться разрушению под действием динамических нагрузок. Поскольку многие материалы, вязкие в условиях медленного нагружения, становятся хрупкими при быстром (ударном) приложении нагрузки, то широко применяется определение ударной вязкости.
Хрупкость – способность тела разрушаться под действием внешних сил практически без пластической деформации.
Упругость – свойство твердого тела восстанавливать свою форму и объем после снятия нагрузки, вызвавшей деформацию. В конструкциях упругость проявляет себя в жесткости – способности сопротивляться деформации.
Пластичность – способность тела остаточно, не разрушаясь изменять свою форму и размеры под действием внешних сил.
Механические свойства металлов определяют при статическом (кратковременном и длительном) и динамическом нагружении, при циклическом приложении нагрузки и другими методами.
Статическое нагружение характеризуется медленным приложением и плавным возрастанием нагрузки от нуля до некоторого максимального значения. Статические испытания проводят на растяжение, сжатие, кручение, изгиб и твердость.
Наибольшее распространение получил метод растяжения – самый жесткий вид испытаний. Испытания проводятся на 5 или 10 кратных образцах ( l 0 = 5 d 0 или 10 d 0 , где l 0 – длина образца, а d 0 – его диаметр), что позволяет соблюдать геометрическое подобие и получать сравнимые результаты для всех металлов. Испытания на растяжение дают информацию о прочности, упругости и пластичности материалов. Рассмотрим диаграмму растяжения малоуглеродистой отожженной стали (рис. 1.1а).
Рис. 1.1. Диаграмма растяжения малоуглеродистой стали
В начальной стадии диаграммы материалы испытывают только упругую деформацию, которая полностью исчезает после снятия нагрузки. До точки «a» эта деформация пропорциональна нагрузке или действующему напряжению:
где P - приложенная нагрузка, F0- начальная площадь поперечного сечения образца.
Теоретический предел пропорциональности – максимальное напряжение, до которого сохраняется линейная зависимость между напряжением (нагрузкой) и деформацией:
Прямолинейную зависимость между напряжением и деформацией можно выразить законом Гука:
где ε = Δl/l0∙100% – относительная деформация, Δl – абсолютное удлинение, l0 – начальная длина образца; Е – коэффициент пропорциональности (tg α), характеризующий упругие свойства материала – называется модулем нормальной упругости, с его увеличением возрастает жесткость изделий, поэтому Е часто называют модулем жесткости.
Теоретический предел упругости – максимальное напряжение, до которого образец получает только упругую деформацию:
Прочность характеризуется пределом текучести физическим и условным.
Физический предел текучести – напряжение, при котором происходит увеличение деформации при постоянной нагрузке:
На диаграмме пределу текучести соответствует участок « c – d », когда наблюдается пластическая деформация (удлинение) - «течение» металла при постоянной нагрузке.
Большая часть металлов и сплавов не имеет площадки текучести, и для них определяют условный предел текучести – напряжение, вызывающее остаточную деформацию, равную 0,2% от начальной расчетной длины образца (рис. 1.1б):
При дальнейшем нагружении пластическая деформация все больше увеличивается, равномерно распределяясь по всему объему образца.
В точке «В», где нагрузка достигает максимального значения, в наиболее слабом месте образца начинается образование «шейки» – сужения поперечного сечения, и деформация сосредотачивается именно на этом участке, то есть из равномерной переходит в местную. Напряжение в этот момент называют пределом прочности.
Предел прочности (временное сопротивление) при растяжении – напряжение, соответствующее максимальной нагрузке, которую выдерживает образец до разрушения:
За точкой «В» в связи с развитием шейки нагрузка уменьшается, в точке «к» при нагрузке «Рк» происходит разрушение образца.
Истинный предел прочности (истинное сопротивление разрушению) – максимальное напряжение, выдерживаемое материалом в момент, предшествующий разрушению образца:
где Fк – конечная площадь поперечного сечения образца в месте разрушения.
Твердость измеряется путем вдавливания в испытуемый образец твердого наконечника различной формы. Определение твердости проводят тремя наиболее распространенными методами.
По методу Бринелля под действием нагрузки в испытуемое тело внедряется стальной закаленный шарик. Число твердости обозначается НВ и представляет собой отношение статической нагрузки к площади поверхности отпечатка шарика.
По методу Роквелла в испытуемую поверхность в два этапа нагружения вдавливается индентор – алмазный конус с углом при вершине 120° или стальной шарик с диаметром 1,588мм. Число твердости обозначается НRС (конус) или НRВ (шар) и характеризуется разницей глубин проникновения индентора при первом и втором этапах нагружения.
По методу Виккерса в испытуемую поверхность вдавливается алмазная четырехгранная пирамида с углом α = 136° между противоположными гранями. Число твердости HV определяют так же, как и в способе Бринелля, отношением нагрузки к площади поверхности отпечатка пирамиды.
Пример расшифровки обозначений: Н –Hard (твердость), B – Brinell, R – Rokwell, V – Vikkers , B – Ball – (шар), C – Cone (конус)
При динамических испытаниях нагрузка прилагается с большой скоростью – ударом и определяется, таким образом, ударная вязкость. Производят испытания на маятниковом копре на стандартных образцах с надрезом. Испытания при пониженных температурах позволяют определять склонность металла к хладноломкости – резкому возрастанию хрупкости.
Физические свойства металлов. К физическим свойствам металлов и сплавов относятся: температура плавления, плотность, температурный коэффициент, электросопротивление и теплопроводность. Физические свойства сплавов обусловлены их составом и структурой.
Химические свойства. К химическим свойствам относится способность материалов к химическому взаимодействию с другими веществами и агрессивными средами.
Технологические свойства. Способность материала подвергаться различным методам горячей и холодной обработки определяют по его технологическим свойствам. К ним относятся литейные свойства, деформируемость, свариваемость и обрабатываемость режущим инструментом и др. Эти свойства позволяют производить формоизменяющую обработку и получать заготовки и детали машин.
Литейные свойства определяются жидкотекучестью, усадкой и склонностью сплавов к ликвации.
Деформируемость – способность металлов и сплавов принимать необходимую форму под влиянием внешней нагрузки без разрушения и при наименьшем сопротивлении нагрузки.
Свариваемость – способность металлов и сплавов образовывать неразъемные соединения требуемого качества.
Эксплуатационные или служебные свойства. В зависимости от условий работы машины или конструкции определяют служебные свойства: коррозийную стойкость, хладостойкость, жаропрочность, жаростойкость, износостойкость и др.
Коррозионная стойкость – сопротивление сплава действию агрессивных сред (кислотных и щелочных).
Хладостойкость – способность сплава сохранять пластические свойства при температурах ниже нуля.
Жаропрочность – способность сплава сохранять механические свойства при высоких температурах.
Жаростойкость – способность сплава сопротивляться окислению в газовой среде при высоких температурах.
Износостойкость – способность материала сопротивляться разрушению поверхностных слоев при трении.
Антифрикционность – способность сплава прирабатываться к другому сплаву.
Читайте также: