Раздел 1. строение и свойства металлических сплавов

тема 1.1. Механические свойства металлов [2]

и принципы их определения

Во Введении подчеркивалось, что свойства (в нашем случае - механические) – наиболее интересующая потребителя часть информации о материале (наряду, конечно, со стоимостью).

Механические свойства характеризуют поведение материалов при внешнем (механическом) нагружении.

Наиболее общими механическими свойствами являются прочность и твердость, пластичность и ударная вязкость.

Прочность – способность материала сопротивляться деформации и разрушению под действием внешних нагрузок. Стандартными характеристиками прочности, которые закладываются в конструкторский расчет, являются условный предел текучести (s_0,2) и предел прочности (s_в). Они определяются по результатам статического растяжения образцов усилием (нагрузкой) , (рис. 1.1.1)

Рис. 1.1.1. Схема испытаний образцов на растяжение

Приложение к телу нагрузки вызывает его деформацию – изменение размеров (и часто формы) тела. В данном случае величину деформации можно оценить относительным удлинением

d = %, (1.1.1)

где l₀ и l длина образца в исходном и деформированном состояниях соответственно.

Реакцией тела на деформацию является возникновение в нем внутренних напряжений,

σ = P/S, (1.1.2)

стремящихся предотвратить деформацию и, в конечном счете, разрушение образца.

При относительно небольших нагрузках деформация обратимая – упругая – образец восстанавливает свои размеры (форму) при снятии нагрузки. Упругая деформация подчиняется закону Гука:

σ = Е×δ, (1.1.3)

где Е =const – модуль упругости (модуль Юнга), характеризующий жесткость материала – сопротивляемость упругой деформации.

Максимальное напряжение, при котором еще выполняется закон Гука называется пределом упругости (σ_у).

При значительных нагрузках (когда возникающее в теле напряжение σ становится больше σ_у) деформация становится необратимой = остаточной = пластической, т.е. частично сохраняется при снятии нагрузки.

Напряжение, при котором остаточная деформация составляет 0,2 % (δ=0,2 %) называется условным пределом текучести (s_0,2).

Максимальное напряжение, которое выдерживает образец до разрушения называется пределом прочности или временным сопротивлением (s_в).

Все перечисленные прочностные характеристики (s_у, s_0,2, s_в и Е) [3] очень важны, т.к. дают разностороннюю информацию о прочности материала, но, к сожалению, способ их определения трудоемок и весьма дорог. Значительно проще измерение твердости (Н)[4] – сопротивления местной упругой и пластической деформации.

Твердость определяется методом вдавливания твердого наконечника – индентора в испытуемый образец (рис. 1.1.2) и оценивается по глубине или размеру возникающего отпечатка (углубления). Приборы для измерения твердости различаются материалом (твердостью) и формой индентора и величиной прилагаемой нагрузки.

 

Рис. 1.1.2. Схема испытаний образцов на твердость

Соответственно различают НВ, HRB (HRC) и HV – твердость по Бринеллю, Роквеллу и Виккерсу, соответственно. НВ и HRB (индентор – закаленный стальной шарик) используют для измерения твердости мягких материалов; HRC и HV (индентор – алмазные конус и пирамида соответственно) – для твердых и очень твердых материалов.

Пластичность – способность материала пластически деформироваться без разрушения. На явлении пластичности основаны все способы обработки металлов давлением. Величину пластичности определяют по результатам испытаний образцов на растяжение (рис. 1.1.1) и оценивают относительным удлинением (1.1.1) и относительным сужением:

Ψ = (S₀ – S)/S₀ × 100 %. (1.1.3)

Из формул (1.1.1) и (1.1.3) очевидно, что характеристики пластичности измеряются в %.

Ударная вязкость характеризует сопротивление материала хрупкому разрушению.

Поскольку «охрупчиванию» материала при данной температуре способствуют: увеличение скорости нагружения и наличие поверхностных (и внутренних) дефектов типа микротрещин, то ударную вязкость определяют по результатам ударн ых испытаний образцов по специальным надрезам (рис. 1.1.3).

Рис. 1.1.3. Схема испытаний образцов на ударную вязкость

Величина ударной вязкости (КС) определяется как работа (А) деформации и разрушения образца, отнесенная к площади его поперечного сечения (S) в месте надреза:

КС=А/S. (1.1.4)

В обозначениях ударной вязкости KCU и KСV последняя буква указывает форму надреза (испытания образца, показанного на рис. 1.1.3, соответствуют KCV). Размерность ударной вязкости Дж/м² (1МДж/м² = 10 кг×м/см²).

Ударная вязкость очень важная характеристика, т.к. от ее величины зависит эксплуатационная надежность изделий. Материалы с малой величиной ударной вязкости являются хрупкими и могут легко разрушаться даже при небольших динамических нагрузках из-за случайных (или технологических) повреждений поверхности деталей или внутренних дефектов структуры.

Помимо приведенных в этом разделе существует ряд других механических свойств (методов испытаний), с которыми можно ознакомиться в учебной литературе (см. [1…4])

Знание всей совокупности этих свойств позволяет оценить конструкционную прочность – комплексную характеристику работоспособности материала в реальной конструкции.

В заключение этой темы отметим, что приведенные выше сведения являются частью курса «Сопротивление материалов». Здесь не обсуждается внутреннее строение материалов, без знания которого невозможно понять взаимосвязь между химическим составом, структурой и свойствами материалов, что является задачей «Материаловедения».

Внимание!

Вы ознакомились (нет – изучили!) с содержанием введения и темы 1.1. Для проверки усвоения этого учебного материала попробуйте ответить на следующие вопросы.

Вопросы для самопроверки к теме 1.1

1. Что такое химический состав материала?

2. Что входит в понятие структуры (микроструктуры) материалов?

3. Какие свойства наиболее важны для конструкционных материалов? Почему?

4. Какова цель «материаловедческой подготовки» инженеров?

5. Перечислите основные механические свойства материалов.

6. Назовите наиболее распространенные характеристики прочности. Как они определяются, в каких единицах измеряются?

7. Перечислите приборы для измерения твердости; как обозначаются величины твердости, полученные на этих приборах?

8. Что такое пластичность? Какими характеристиками оценивают ее величину?

9. Какое свойство характеризуется символом KCU? Каков принцип его определения? В каких единицах оно измеряется?

10. Каково характерное свойство материалов с низкой величиной KCU?

Если Вы успешно отвечаете на эти вопросы, можно переходить к проверке качества Ваших знаний данной темы с помощью тестов.

Читайте внимательно тестовые задания. Обычно правильный ответ в каждом вопросе один из 5 перечисленных. Однако в тестах к другим темам «Опорного конспекта» задания могут быть усложнены. Правильность ваших ответов можете проверить в конце конспекта.