Классификация свойств металла

Испытание на растяжение

Испытание на растяжение производится на образцах двух типов: цилиндрических и плоских.

Цилиндрические образцы могут быть нормальные (с расчетной длиной l_расч=10d) и укороченные (с l_расч=5d). Для плоских образцов при вычислении расчетной длины образца используется диаметр круга, равновеликого поперечному сечению рабочей части образца.

В процессе растяжения, реализуемого на специальных испытательных машинах, автоматически записывается диаграмма испытания в координатах сила – удлинение (рабочая, или индикаторная диаграмма). Для малоуглеродистой стали эта диаграмма выглядит следующим образом:

Рассмотрим основные участки диаграммы.

OB – участок упругости.

После нагружения в пределах этого участка образец возвращается в исходное состояние. Такая деформация, полностью исчезающая после разгрузки, называется упругой. Механизм упругой деформации – изменение расстояния между атомами.

BC – участок общей текучести (площадка текучести).

На этом участке на поверхности образца появляется сетка линий, направленных под углом приблизительно 45° к оси растяжения – линии Чернова-Людерса. Эти линии свидетельствуют о появлении нового механизма деформации, заключающегося в сдвиге атомных слоев друг относительно друга. Из-за этих сдвигов после разгрузки образец не возвращается в исходное состояние, приобретая остаточную, или пластическую, деформацию. Пластическая деформация сопровождается нагревом образца, изменением его электропроводности и магнитных свойств, а также акустическим излучением.

CD – участок упрочнения.

Пластическая деформация изменяет внутреннюю структуру материала, в результате чего образец снова проявляет сопротивление деформированию, и растягивающая сила повышается.

DK – участок местной текучести.

Точка D диаграммы соответствует появлению на образце локального сужения – шейки. Дальнейшая деформация локализуется в этой области, и за счет уменьшения площади поперечного сечения необходимая для растяжения сила снижается. Точка K соответствует разделению образца на части. Разрыв происходит в самом тонком месте шейки.

Чтобы исключить влияние геометрических размеров образца, рабочая диаграмма перестраивается в условную (в координатах напряжение – деформация):

Полученная диаграмма называется условной потому, что при вычислении напряжения и деформации сила и удлинение относятся не к действительным, а к начальным значениям соответственно площади поперечного сечения и длины образца.

На условной диаграмме выделяют следующие характерные точки:

s_пц – предел пропорциональности: максимальное напряжение, до которого справедлив закон Гука (т.е. наблюдается прямая пропорциональная зависимость между напряжением и деформацией);

s_у – предел упругости: максимальное напряжение, до которого в материале не возникает пластических деформаций;

s_т – предел текучести: напряжение, при котором наблюдается рост деформации при постоянном напряжении;

s_в – предел прочности (или временное сопротивление разрыву): максимальное напряжение, которое может выдержать образец без разрушения.

В момент разрыва истинное напряжение, отнесенное к действительной площади сечения, существенно выше предела прочности.

За пределами участка упругости в любой точке диаграммы полная деформация ε_полн состоит из упругой εу_пр и пластической ε_пл составляющих:

Если прекратить нагружение в точке G и снять нагрузку, то разгрузка произойдет по закону Гука, т.е. по линии, параллельной участку упругости (отрезок GO₁). Таким образом, отрезок OO₁ определяет величину остаточной деформации образца, а отрезок O₁O₂ – величину упругой деформации на момент разрыва.

СП 46.13330.2012 Мосты и трубы

Интернет ресурс

 

Классификация свойств металла

Различают физические, химические, механические и технологические свойства металлов и сплавов.

Физические свойства металлов определяются их физическим состоянием или отношением к различным физическим процессам (действию высоких и низких температур, электрического тока и др.). К ним относятся плотность, температура плавления, кристаллизации, теплопроводность, температурное расширение, электрическое сопротивление, электрическая проводимость и др.

Плотность — это масса единицы объема металла в абсолютно плотном состоянии (кг/м3). Абсолютная плотность называется также удельным весом (массой).

Температура плавления — это температура, при которой металл из твердого состояния переходит в жидкое (расплавленное). Температура, при которой металл при охлаждении переходит из расплавленного состояния в твердое, называется температурой кристаллизации, Способность материала передавать тепло через толщу от одной своей поверхности к другой называется теплопроводностью. Она определяется коэффициентом теплопроводности, показывающим количество тепла, проходящее через образец материала толщиной 1 м и площадью 1 м2 в течение часа при разнице температур на противоположных сторонах образца 1°C.

Температурное расширение — это способность материала расширяться вследствие нагревания. Она характеризуется коэффициентом линейного расширения, показывающим, на какую долю первоначальной длины расширился материал при повышении температуры на 1°C.

Электрическое сопротивление определяется способностью материала сопротивляться прохождению электрического тока. Оно измеряется в омах (Ом). Электрическая проводимость — способность материала проводить электрический ток. Единица — сименс (См).

Химические свойства металлов определяются их сопротивляемостью воздействию окружающей среды, кислот, щелочей и других химических реагентов. Для оценки степени разрушения металлов в различных средах служит показатель, который называется коррозионной стойкостью. Он определяется скоростью коррозии, т. е. массой материала, превращенной в ржавчину с единицы поверхности за единицу времени, либо толщиной разрушенного слоя (мм/год). Характеристиками коррозионной стойкости могут быть также изменение массы изделия, его механических свойств, электросопротивления и количество выделившегося водорода за определенный период времени.

Механические свойства металлов определяют их способность сопротивляться действию внешних механических сил. К ним относятся прочность, пластичность, твердость, хрупкость, выносливость, усталость, упругость, истираемость, сопротивление износу и ползучесть.

Прочность — это свойство материала сопротивляться разрушению под действием приложенных механических сил.

Пластичность —свойство металла необратимо деформироваться без нарушения сплошности под действием механических нагрузок, поглощая при этом механическую энергию.

Твердость — это свойство материала сопротивляться проникновению в него другого, не получающего остаточной деформации тела.

Хрупкость определяется способностью материала разрушаться без заметного поглощения механической энергии.

Свойство материала выдерживать, не разрушаясь, большое число повторно переменных напряжений называется выносливостью.

Постепенное разрушение материала при большом числе повторно-переменных напряжений называется усталостью.

Упругость — свойство материала восстанавливать свою форму и объем после снятия нагрузки. Она обусловлена взаимодействием между атомами и их тепловым движением.

Истираемость — свойство материала сопротивляться действию внешних механических сил (сил трения), вызывающих постепенное разрушение его поверхности.

Сопротивление износу — свойство материала сопротивляться одновременному действию истирания и ударов.

Ползучесть — свойство материала медленно и непрерывно деформироваться при постоянном напряжении и повышенной температуре.

Для определения механических свойств металлов проводят статические испытания на растяжение, сжатие, изгиб и кручение, динамические испытания на ударную вязкость, а также испытания на усталость, ползучесть, длительную прочность и твердость. Основными характеристиками механических свойств, определяемыми статическими испытаниями на растяжение, сжатие, изгиб и кручение, являются пределы текучести, пропорциональности, упругости, истинное и временное сопротивление разрыву, измеряемые в паскалях (Па), а также относительное и остаточное удлинение и относительное сужение. Динамические испытания позволяют определить важнейшую механическую характеристику металлов, подвергающихся воздействию ударных нагрузок, — ударную вязкость (Дж/м2). Испытания на усталость проводят для металлов, эксплуатируемых в условиях длительных повторно-переменных нагрузок, результатом которых является возникновение на поверхности и разрастание трещин, приводящих в конечном счете к разрушению. Испытания на усталость позволяют определить предел выносливости (Па). Испытания на ползучесть и длительную прочность необходимы для металлов, эксплуатируемых в условиях высоких температур и длительных нагрузок. При этом основными характеристиками являются условный предел ползучести и длительная прочность.

Наиболее распространенными методами определения механических свойств металлов являются испытания на твердость. Они основаны на статическом вдавливании стального закаленного шарика (метод Бринелля), алмазного конуса или стального закаленного шарика (метод Роквелла) или алмазной пирамиды (метод Виккерса) на специальных приборах, называемых твердомерами. Соответственно определяется число твердости по Бринеллю (HB), Роквеллу (HR) и Виккерсу (HV), Для определения твердости отдельных зерен металла или разных частей одного зерна производят испытание на микротвердость. Измерения производят на специальных приборах вдавливанием алмазной пирамиды и исследованием получаемого отпечатка при помощи металлографического микроскопа. Известны также динамические методы измерения твердости. К ним относятся метод упругого отскока бойка (по Шору), а также измерение твердости способом ударного отпечатка. Максимальная твердость материалов, по Шору, равняется 100 единицам.

Технологические свойства металлов определяют их способность подвергаться различным методам обработки. К ним относятся обрабатываемость резаньем и давлением, свариваемость, упрочняемость, а также литейные и другие свойства. Обрабатываемость резаньем оценивается скоростью затупления резца при точении на заданных режимах с обеспечением необходимых параметров получаемой поверхности. Она измеряется в процентах к скорости обработки стали или свинцовистой латуни. Обрабатываемость давлением в горячем и холодном состоянии оценивают технологическими пробами на усадку, изгиб, вытяжку сферической лунки и др., а также показателями пластичности, твердости и упрочняемости.

Свариваемость — это свойство металлов образовывать неразъемные соединения с требуемыми механическими свойствами. Литейные свойства определяются совокупностью таких показателей, как температура плавления и кристаллизации, плотность, жидкотекучесть, усадка, и др. Упрочняемость — это способность металлов приобретать более высокие механические показатели после механической и термической обработок.

 

 

Испытание на растяжение

Испытание на растяжение производится на образцах двух типов: цилиндрических и плоских.

Цилиндрические образцы могут быть нормальные (с расчетной длиной l_расч=10d) и укороченные (с l_расч=5d). Для плоских образцов при вычислении расчетной длины образца используется диаметр круга, равновеликого поперечному сечению рабочей части образца.

В процессе растяжения, реализуемого на специальных испытательных машинах, автоматически записывается диаграмма испытания в координатах сила – удлинение (рабочая, или индикаторная диаграмма). Для малоуглеродистой стали эта диаграмма выглядит следующим образом:

Рассмотрим основные участки диаграммы.

OB – участок упругости.

После нагружения в пределах этого участка образец возвращается в исходное состояние. Такая деформация, полностью исчезающая после разгрузки, называется упругой. Механизм упругой деформации – изменение расстояния между атомами.

BC – участок общей текучести (площадка текучести).

На этом участке на поверхности образца появляется сетка линий, направленных под углом приблизительно 45° к оси растяжения – линии Чернова-Людерса. Эти линии свидетельствуют о появлении нового механизма деформации, заключающегося в сдвиге атомных слоев друг относительно друга. Из-за этих сдвигов после разгрузки образец не возвращается в исходное состояние, приобретая остаточную, или пластическую, деформацию. Пластическая деформация сопровождается нагревом образца, изменением его электропроводности и магнитных свойств, а также акустическим излучением.

CD – участок упрочнения.

Пластическая деформация изменяет внутреннюю структуру материала, в результате чего образец снова проявляет сопротивление деформированию, и растягивающая сила повышается.

DK – участок местной текучести.

Точка D диаграммы соответствует появлению на образце локального сужения – шейки. Дальнейшая деформация локализуется в этой области, и за счет уменьшения площади поперечного сечения необходимая для растяжения сила снижается. Точка K соответствует разделению образца на части. Разрыв происходит в самом тонком месте шейки.

Чтобы исключить влияние геометрических размеров образца, рабочая диаграмма перестраивается в условную (в координатах напряжение – деформация):

Полученная диаграмма называется условной потому, что при вычислении напряжения и деформации сила и удлинение относятся не к действительным, а к начальным значениям соответственно площади поперечного сечения и длины образца.

На условной диаграмме выделяют следующие характерные точки:

s_пц – предел пропорциональности: максимальное напряжение, до которого справедлив закон Гука (т.е. наблюдается прямая пропорциональная зависимость между напряжением и деформацией);

s_у – предел упругости: максимальное напряжение, до которого в материале не возникает пластических деформаций;

s_т – предел текучести: напряжение, при котором наблюдается рост деформации при постоянном напряжении;

s_в – предел прочности (или временное сопротивление разрыву): максимальное напряжение, которое может выдержать образец без разрушения.

В момент разрыва истинное напряжение, отнесенное к действительной площади сечения, существенно выше предела прочности.

За пределами участка упругости в любой точке диаграммы полная деформация ε_полн состоит из упругой εу_пр и пластической ε_пл составляющих:

Если прекратить нагружение в точке G и снять нагрузку, то разгрузка произойдет по закону Гука, т.е. по линии, параллельной участку упругости (отрезок GO₁). Таким образом, отрезок OO₁ определяет величину остаточной деформации образца, а отрезок O₁O₂ – величину упругой деформации на момент разрыва.