Определение механических свойств.

Механическими свойствами называются свойства, которые определяются при проведении испытаний материалов под действием внешних нагрузок. Механические свойства позволяют установить пределы внешних нагрузок, что необходимо для выбора материалов и технологических режимов их обработки, ранжирования свойства различных материалов, контроля и диагностики их прочности в процессе эксплуатации.    

В связи с многообразием условий эксплуатации и обработки материалов температурно-силовые условия проведения механических испытаний должны быть по возможности приближены к служебным услови­ям их работы в реальных машинах и конструкциях. Вместе с тем методы испытаний должны быть достаточно просты­ми и пригодными для массового контроля качества металлурги­ческой продукции. Поскольку необходимо иметь возможность сопоставления качества разных конструкционных материалов, методы испытаний механических свойств строго регламентированы стандартами.

Основными признаками, позволяющими классифицирова виды механических испытаний являются:

- способ нагружения (растяжение, сжатие, изгиб, кручение, срез, циклическое нагружение)

- скорость нагружения (статическая, динамическая)

- продолжительность процесса испытания (кратковременное, длительное)

- внешние условия при проведении испытания (температура среды, агрессивность среды)

Другими признаками классификации могут быть: виды напряженно- деформированного состояния, размер и типы образцов и др.

Статические испытания.

Наиболее часто проводят испытания на растяжение (ГОСТ 1497 -84), позволяющие получать достаточно полную информацию о механических свойствах материалов. Для этого используют цилиндрические или плоские образцы. Обычно применяют малый пятикратный образец круглого сечения (диаметр 5 мм, расчетная длина 25 мм). Для цилиндрического образца отношение расчетной начальной длины l к начальному диаметру d  называется кратностью образца. На рис. 4.1 при­ведена схема цилиндрического образца на различных стадиях растяжения. Перед испытанием образец закрепляется в вертикальном положении в захватах разрывной машины, обеспечивающей плавное нагружение образца вплоть до момента его разрыва. В процессе испытания непрерывно записывается первичная машинная диаграмма в координатах нагрузка (Р)- удлинение ( l), перестроенная машинная диаграмма в координатах напряжение – деформация имеет аналогичный вид. Для поликристаллических металлов и сплавов наиболее характерными являются следующие виды диаграмм растяжения. Диа­грамма 1 типа характерна для образцов, разрушающихся после образования шейки в результате сосредоточенной деформации.(рис.4.1а) Возрастание нагрузки до момента разрушения может быть плавным(рис.4.1б)  либо прерывистым. В последнем случае на диаграмме могут появиться зуб и площадка текучести.(рис.4.1а) Тип диаграммы определяет характеристики, которые по ней можно рассчитать. Многие механические свойства выражаются через величину напряжений. В механике напряжения рассматривают как удельные характеристики сил, возникающих в теле под действием внешних нагрузок. Диа­грамма просто преобразуется в диаграмму в координатах напря­жение  - относительная деформация . При этом  = P/F ;  =  ( 1/1 ) • 100 %, где f , 1  - начальная площадь сечения и длина образца до испытания.

Диаграмма растяжения (рис.4.1) состоит из трех участков: упругой де­формации ОA, равномерной пластической деформации АB и со­средоточенной деформации шейки ВС. Участок упругой деформации имеет прямолинейный вид и ха­рактеризует жесткость материала. Чем меньшую упругую дефор­мацию претерпевает материал под действием нагрузки, тем выше его жесткость, которая характеризуется модулем упругости: Е = .

Модуль упругости - структурно нечувствительная характери­стика, определяемая силами межатомного взаимодействия, явля­ется константой материала.

Упругие свойства зависят от температуры металла. При пони­жении температуры межатомные расстояния уменьшаются, кри­сталлы сжимаются, что приводит к увеличению модуля упругости.

Основной рост модуля упругости происходит в области темпера­тур до 77 К, ниже температур жидкого азота рост замедляется, а вблизи абсолютного нуля модуль упругости становится температурно независимым.

Наименьшее напряжение, при котором образец деформирует­ся без заметного увеличения нагрузки («течет»), называется фи­зическим пределом текучести _т, он измеряется в мегапаскалях (МПа). Если нет площадки текучести, то определяют условный предел текучести _0.2, при котором образец получает остаточное удлинение, равное 0,2 % первоначальной расчетной длины:

_{0.2 =} P _0.2/F _.

Предел текучести - основной показатель прочности при рас­чете допустимых напряжений, характеризующих сопротивление малым пластическим деформациям.

Напряжение, соответствующее наибольшей нагрузке, пред­шествующей разрушению, называется временным сопротивлени­ем ( _в); оно измеряется в МПа:

Величина пластической деформации к моменту разрушения характеризует пластичность материала. Различают две характе­ристики пластичности: относительное удлинение , %, и относи­тельное сужение , %:

100

где I — длина образца после разрыва; l₀ - первоначальная длина образца;

100, где F - площадь сечения разрушившегося образца в месте разрыва; F₀ - первоначальная площадь сечения образца.

Условно принято считать металл надежным при  > 15 %, > 45 %. Более точно зависимость между деформацией образца и напря­жением отражают диаграммы истинных напряжений (рис. 4.1, в). Истинное напряжение определяют делением текущей Р нагрузки на текущее значение площади F поперечного сечения образца, которое уменьшается в процессе испытания.

Испытания на твердость. Наиболее простым методом испытания свойств является из­мерение твердости. Твердостью называют свойство материала ока­зывать сопротивление деформации или хрупкому разрушению в поверхностном слое при ме­стных контактных воздействиях (при внедрении индентора). Различают следующие методы определения твердости: по Бринеллю(по диаметру отпечатка шарика); по Роквеллу (по глубине вдавливания алмазного конуса или закаленного шарика), по Виккерсу (для деталей малой толщины или тонких поверхностных слоев твердость определяется по диагонали отпечатка алмазной пирамиды). Число твердости по Бринеллю НВ определяется числом нагрузки Р, деленной на сферическую поверхность отпечатка. (рис.4.2а). На практике твердость определяют по специальным таблицам по величине диаметра отпечатка. Метод Бринелля не рекомендуется применять для материала с твердостью более 450 НВ, если используется стальной шарик; при больших значениях твердости используется твердосплавный шарик. Временное сопротивление и число твердости по Бринеллю связаны между собой: для стали σ =0,34 НВ, для сплавов на основе меди σ =0,45НВ, для алюминиевых сплавов σ =0,35 НВ

При испытании по методу Роквелла (рис.4.2.б) алмазный конус или стальной шарик диаметром 1,588мм (для более мягких материалов) вдавливаются в металл двумя последовательными нагружениями: предварительным Р =100H, под действием которого индентор вдавливается на глубину h  и основным Р, при этом индентор вдавливается на глубину h. После этого снимают нагрузку Р, но оставляют нагрузку Р ; Разность h- h  зависит от твердости материала, чем выше твердость, тем меньше эта разность. В приборе имеется 3 шкалы. При испытании алмазным конусом и нагрузке равной P=1400Н, шкала С твердость обозначается HRC, при P=500H, шкала А(HRA), при испытании стальным шариком и Р=900H шкала В(HRB). Единица твердости по Роквеллу – безразмерная величина, соответствующая осевому перемещению индикатора на 0,002мм. По шкале С определяют значения твердости более твердых материалов, чем методом Бринелля (твердость более 450 НВ).

Твердость по Виккерсу (рис. 4.2 в)  определяют путем вдавли­вания правильной четырехгранной пирамиды под действием на­грузки Р и измерения диагонали отпечатка d. Нагрузка меняется от 10 до 1000 Н. Чем тоньше материал, тем меньше должна быть при­лагаемая нагрузка. Число твердости по Виккерсу HV определяют с помощью специальных таблиц по величине диагонали отпечатка.

В некоторых случаях определяют микротвердость отдельных участков металла (ГОСТ 9450- 76). Этот метод используют для измерения твердости отдельных зерен или очень тонких слоев. Величина нагрузки при этом Р = 0,98 или 0,49Н, реже при меньшей нагрузке так как при этом снижается точность измерения. Твердость при этом обозначается HV  или HV .

Динамические испытания.

Основным динамическим испытанием является метод испы­тания на ударный изгиб (ГОСТ 9454-78) с определением ударной вязкости металла. Метод основан на разрушении образца с надре­зом одним ударом маятникового копра (рис. 4.3).

Образец устанавливают на опорах копра и наносят удар по стороне образца, противоположной надрезу. Работа, затраченная на разрушение образца, определяется так:

К = Pg (Н - h),

где Р - масса маятника; g - ускорение силы тяжести; Н, h- высота подъема маятника до удара и после разрушения образца;

Указатель на шкале копра фиксирует величину работы К и проградуирован с учетом потерь.

Ударная вязкость обозначается символом КС_, Кж/см², определяется как отношение рабо­ты разрушенияя К, затраченной на деформацию и разрушение удар­ным изгибом надрезанного образца, к начальной площади поперечного сечения образца в месте надреза S по формуле КС = K/S.

В зависимости от вида концен­тратора напряжений различают об­разцы трех типов: с радиусом дна надреза 1,0 мм (тип U); 0,25 мм (тип V) и инициированной трещи­ной (Т).

Введение ударных испытаний об­разцов с трещинами является след­ствием того, что работоспособность материала определяется не столько сопротивлением зарождению тре­щины, сколько сопротивлением ее распространению. Обычные образцы имеют сечение 10 х 10 мм, но для особо ответственных случаев и для оценки работоспособности крупных деталей приме­няют образцы сечением 25 х 25 мм с инициированной трещиной. Чем острее надрез, тем более жестким испытаниям подвергается металл. Вид надреза входит в обозначение работы удара и ударной вязкости. Работу удара обозначают двумя буквами KU, KV, KT, а удар­ную вязкость - тремя буквами KCU, KCV, КСТ. В этих обозначе­ниях последние буквы являются символами концентраторов на­пряжений.

Испытания ударной вязкости широко применяют для оценки склонности металла к хрупкому разрушению при низких темпе­ратурах. Преимуществами этого метода являются простота экспе­римента, учет влияния скорости нагружения и концентраций. Для оценки хладноломкости обычно проводят испытания серии образцов при понижающихся температурах. Кривые зависимости ударной вязкости от температуры называют сериальными кривы­ми хладноломкости (рис. 4.4.)

С помощью этих кривых определяют температурный порог хладноломкости. При температуре эксплуатации ниже порога хлад­ноломкости металл применять не следует.

Техническими условиями на поставку металлопродукции ответственного назначе­ния обычно оговаривают минимально допус­тимое значение ударной вязкости при за­данной температуре. Оценку хладноломкости можно также проводить по виду излома разрушившегося образца. Метод осно­ван на определении соотношения площадей вязких и хрупких участков излома ударных образцов.

Вязкий излом имеет харак­терное волокнистое строение с матовым оттенком. С понижени­ем температуры количество волокнистой составляющей в изломе снижается, появляются кристаллические блестящие участки.

Обычно за критическую температуру принимают такую, при которой доля волокнистой составляющей структуры равна 50 %.

В ряде случаев целесообразно определять не только общую ра­боту разрушения при ударном изгибе КС, но и ее составляющие - работу зарождения КС₃ и работу развития трещины КС_Р, при этом КС = КС₃ + КС_Р. Работа зарождения трещины зависит от радиуса надреза. Чем острее надрез, тем меньшая работа нужна для заро­ждения трещины. Работа развития трещины мало зависит от гео­метрии надреза и лучше характеризует склонность металла к хрупкому разрушению. Для ее определения обычно используют образцы с заранее инициированной трещиной.

Однако следует иметь в виду, что при испытании пластичных материалов работа разрушения образца с трещиной превышает истинную работу развития трещины на величину работы пласти­ческой деформации, расходуемой на изгибную и поперечную мак­родеформации.

Работу зарождения и работу развития трещины удобно опре­делять при испытаниях на ударный изгиб с помощью диаграмм нагрузка - прогиб, полученных фотографированием с экрана ос­циллографа.

Известен приближенный метод определения составляющих ударной вязкости, основанный на предположении о линейной зави­симости ударной вязкости от радиуса надреза и равенстве нулю ра­боты зарождения трещины для образцов с радиусом надреза, рав­ным нулю, или с трещиной. Тогда экстраполяция данных испытаний образцов всего двух типов с радиусом 1 и 0,25 мм на нулевое значение радиуса надреза дает значение работы развития трещины. Определение составляющих ударной вязкости позволяет вы­явить влияние различных факторов на обе стадии разрушения.

Усталостные испытания.

Усталость представляет собой процесс постепенного накопле­ния повреждений в металле под действием переменных напряже­ний, приводящих к образованию и развитию усталостных тре­щин. Из-за различной ориентировки зерен и блоков, макро- и микродефектов напряжения в металле распределяются неравно­мерно. При расчетной нагрузке ниже предела текучести в отдельных перенапряженных локальных объемах происходит пластическая деформация и, как следствие ее предельного разви­тия, возникают микротрещины. Микротрещины постепенно сли­ваются, образуя макротрещину, с течением времени распростра­няющуюся на все сечение.

Усталостные характеристики при комнатной температуре обычно определяют при испытании образцов круглого сечения на изгиб с вращением. Испытывают серию образцов при различной нагрузке и определяют разрушающее на­пряжение и соответствующее ему число циклов нагружения. (ГОСТ 25.502-79)

Максимальным _mах или минимальным _min напряжением цикла является наибольшее или наименьшее по алгебраической величине напряжение. Характеристикой цикла служит коэффициент ассиметрии: R = _min/ _maх. При равенстве максимального и минимального напряжений по абсолютной величине R = -1. В этом случае цикл является симметричным, а предел выносливо­сти, характеризующий сопротивление усталости, обозначают _-1, В зависимости от условий работы изделия испытания проводят при комнатной, высокой и низкой температурах, при симметрич­ных и асимметричных циклах, при наличии или отсутствии аг­рессивных сред и концентраторов напряжений на испытуемых образцах.

При испытании строят кривую усталости - график, характе­ризующий зависимость между максимальными или амплитуд­ными напряжениями (деформации) цикла и долговечностью се­рии одинаковых образцов, испытанных при одинаковом среднем напряжении (деформации) цикла или при одинаковом коэффици­енте асимметрии цикла.(рис.4.5). Переход кривой усталости в горизонталь наблюдается на сталях после 10 циклов, на цветных металлах 10 циклов нагружения. Ордината соответствующая постоянному значению σ , является физическим пределом выносливости (обозначается σ ). Разрушение материала при усталости отличается от разрушения при однократных нагрузках. При циклическом нагружении начало пластической деформации, обусловленное движением дислокаций, может иметь место при напряжениях меньше предела текучести. При увеличении числа циклов нагружения растет число дислокаций прежде всего в поверхностных слоях.

Концентраторы напряжений в большей или меньшей степени снижают предел выносливости при одном и том же уровне переменных напряжений.