Основные механические свойства и методы испытаний.

При выборе материала исходя из комплекса свойств, которые подразделяют на механические, физические, химические и технологические.

Физические свойства определяют поведение материалов в тепловых, гравитационных, электромагнитных и радиационных полях. К физическим относятся такие свойства материалов как плотность, теплоемкость, температура плавления, термическое расширение, магнитные характеристики, теплопроводность, электропроводность.

Под химическими свойствами понимают способность материалов вступать в химическое взаимодействие с другими веществами, сопротивляемость окислению, проникновению газов и химически активных веществ. Характерным приемом химического взаимодействия среды и металла является коррозия.

Технологические свойства металлов и сплавов характеризуют их способность подвергать горячей и холодной обработке. Комплекс этих свойств включает в себя технологичность при выплавке, горячем и холодном деформировании, обработке резанием, термической обработке и, особенно, сварке.

При конструирование изделий в первую очередь руководствуются механическими свойствами материалов.

Механические свойства материалов характеризуют их способность сопротивляться деформированию и разрушению под действием различного рода нагрузок. Механические нагрузки могут быть статическими, динамическими и циклическими. Кроме того, материалы могут подвергаться деформации и разрушению как при различных температурных условиях, так и в различных, в том числе агрессивных средах. Для того, чтобы обеспечить надежную работу конкретных машин и приборов, необходимо учитывать условия эксплуатации, т. е. к материалу предъявляют эксплуатационные требования.

К основным механическим свойствам относят прочность, упругость, ударную вязкость, пластичность, твердость.

Для определения механических свойств материалов разработаны различные методы испытаний. При статических методах материал подвергают воздействию воздействию постоянной силы, возрастающей весьма медленно. При динамических испытаниях материал подвергают воздействию удара или силы быстро возрастающей.

Прочность – способность материала сопротивляться разрушению под действием внешних сил.

Пластичность – способность материала к пластической деформации, т. е. к получению остаточного изменения формы и размеров без разрушения.

Упругость – свойства материала восстанавливать свои размеры и форму после прекращения действия нагрузки.

Прочность, пластичность и упругость материала определяют при статических испытаниях на растяжение.

Статические испытания на растяжение:

А – схема испытания; Б – диаграмма растяжение.

Испытания производятся на цилиндрических (или плоских) образцах с определенным соотношением между длинной l₀ и диаметром d₀. Образец растягивается под действием приложенной силы Р до разрушения. Внешняя нагрузка вызывает в образце напряжение и деформацию. Напряжение σ – это отношение силы Р к площади поперечного сечения F, МПа:

_{σ =} ^Р

^F

Деформация характеризует изменение размеров образца под действием нагрузки, %

_{ε =} ^{l – l0} ₁₀₀

^l0

где l – длина растянутого образца. Деформация может быть упругой (исчезающей после снятия нагрузки) и пластической (остающейся после снятия нагрузки).

При испытаниях строится диаграмма растяжений (Б), представляющая собой зависимость напряжения от деформации. После проведения испытаний определяют следующие характеристики механических свойств.

Предел упругости σ_у – это максимальное напряжение, при котором в образце не возникают пластические деформации.

Предел текучести σ_τ – это напряжение, соответствующие площадке текучести на диаграмме растяжения (Б). Если на диаграмме нет площадки текучести (что наблюдается для хрупких материалов), то определяют условный предел текучести σ₀₂ – напряжение, вызывающее пластическую деформацию, равную 0,2%.

Предел прочности (или временное сопротивление) σ _в – это напряжение, отвечающие максимальной нагрузке, которую выдерживает образец при испытании.

Относительное удлинение после разрыва δ – отношение приращения длины образца при растяжении к начальной длине l₀, %:

_{δ =} ^{lк – l0} ₁₀₀

^l0

где l_к – длинна образца после разрыва.

Относительным сужением после разрыва ψ называется уменьшение площади поперечного сечения образца, отнесенное к начальному сечению образца, %:

_{ψ =} ^{Fк – F0} ₁₀₀

^F0

где F_к – площадь поперечного сечения образца в месте разрыва. Относительное удлинение и относительное сужение являются характеристиками пластичности.

Определение твердости.

Твердость – способность материала сопротивляться проникновению в него другого тела.

Твердость материала испытывается при статическом характере вдавливания в него шарика, конуса или пирамиды.

Наиболее широкое применение нашли методы определения твердости по Бринеллю, Роквеллу и Виккерсу.

Схема определения твердости.

а – по Бринеллю; б – по Роквеллу; в – по Виккерсу.

Твердость по Бринеллю (НВ) определяется вдавливанием в испытуемую поверхность под нагрузкой Р стального шарика диаметром Д (рис. а).

После снятия нагрузки на поверхность образца остается отпечаток (лунка).

Твердость определяется по формуле:

_{НВ =} ^Р _Па

^F

где F – площадь поверхности отпечатка.

Диаметр шарика выбирают в зависимости от толщины изделия (Д=10; 5; 2,5 мм). Нагрузку Р выбирают в зависимости от диаметра шарика и измеряемой твердости. При Д=10 мм. Р=30000 Н, время – 10 секунд.

Практически величину твердости определяют не по формуле, а по прилагаемой к прибору таблице в зависимости от диаметра отпечатка.

Между твердостью по Бринеллю и пределом прочности металла существует приближенная зависимость:

σ_в = к ^. НВ, Па

Для стали σ_в = 0,34 … 0,35 НВ.

Твердость по Роквеллу определяют по глубине отпечатка. Метод основан по вдавливании в испытуемый образец закаленного стального шарика диаметром 1,588 мм (шкала В) или алмазного конуса с углом при вершине 120° (шкалы А и С). Вдавливание производится под действием двух нагрузок – предварительной Р₀, равной 100 Н и окончательной Р, равной 600, 1000, 1500 Н для шкал А, В и С соответственно. Число твердости по Роквеллу НRА, НRВ и НRС определяется по разности глубин вдавливания в условных единицах.

Твердость по Виккерсу определяется вдавливанием в испытуемую поверхность (шлифованную или даже полированную) четырехгранной алмазной пирамиды с углом при вершине 136°. Метод используют для определения твердости деталей малой толщины и тонких поверхностных слоев, имеющих высокую твердость. Число твердости по Виккерсу НV определяется отношением приложенной нагрузки к площали поверхности отпечатка.

Практически величину твердости определяют не по форме, а по прилагаемым к прибору таблицам по измеренной величине d (диагональность отпечатка) (В).

Ударная вязкость.

Вязкость – свойство материала сопротивляться разрушению под действием динамических нагрузок.

Ударная вязкость определяется работой А, затраченной на разрушение образца, отнесенной к площади его поперечного сечения F; Дж/м²:

_{КС =} ^А

^F

Испытания проводятся ударом специального маятникового копра. Для испытания применяется стандартный надрезанный образец, устанавливаемый на опорах копра. Маятник определенной массы наносит удар по строне, противоположной надрезу.

КС – ударная вязкость, Дж/м²: индексы V, U (КСV, КСU) характеризует форму надреза.