Механические свойства металлов

Механические свойства металлов и сплавов. К механическим свойствам металлов и сплавов относятся: прочность, твердость, упругость, пластичность, ударная вязкость, ползучесть и усталость.

 

Рис. 76. Виды нагрузок, вызывающих изменение формы металла или cплава

Прочность - это способность металла или сплава противостоять деформации и разрушению под действием приложенных нагрузок - растягивающих, сжимающих, изгибающих, скручивающих и срезающих (рис. 76). Нагрузки бывают внешними (вес, давление и др.) и внутренними (изменение размеров тела от нагревания и охлаждения, изменение структуры металла и т. д.), а также статическими, т. е. постоянными по величине и направлению действия, или динамическими, т. е. переменными по величине, направлению и продолжительности действия. Методы определения прочности рассмотрены отдельно.
Твердостью называется способность металла или сплава оказывать сопротивление проникновению в него другого, более твердого тела. Применяют следующие способы испытания твердости металлов и сплавов вдавливанием в поверхность образца:
стального закаленного шарика диаметром 2,5; 5 или 10 мм - определение твердости по Бринеллю;
стального закаленного шарика диаметром 1,588 мм или алмазного конуса с углом 120° - определение твердости по Роквеллу;
правильной четырехгранной алмазной пирамиды – определение твердости по Виккерсу.
Упругостью называется способность металла или сплава восстанавливать первоначальную форму после прекращения действия внешней нагрузки (рис. 77).

 

Рис. 77. Деформация, характеризующая упругость (после снятия нагрузки образец возвращается в исходное положение)

Пластичностью называется способность металла или сплава, не разрушаясь, изменять форму под действием нагрузки и сохранять эту форму после ее снятия.
Ударной вязкостью называется способность металла или сплава сопротивляться действию ударных нагрузок. Ударная вязкость измеряется в кгс•м/см2 (Дж/м2).
Ползучестью называется свойство металла или сплава медленно и непрерывно пластически деформироваться под действием постоянной нагрузки (особенно при повышенных температурах).
Усталостью называется постепенное разрушение металла или сплава при большом числе повторно-переменных нагрузок; свойство выдерживать эти нагрузки называется выносливостью.

 

 

Статические испытания металлов

Статические испытания осуществляются путем плавного возрастающего нагружения стандартного образца вплоть до его полного разрушения. При этом в любой момент можно определить с достаточной точностью значения усилия, приложенного к образцу с помощью преобразователя силы, а также измерить деформацию при помощи преобразователя перемещения или деформации.

По способу приложения нагрузок различают следующие статические испытания:

на растяжение;

сжатие;

изгиб;

кручение;

сдвиг или срез;

ползучесть.

Если детали подвергаются в процессе эксплуатации быстро возникающим нагрузкам и ударам, то испытания образцов статической нагрузкой не могут характеризовать работоспособность металла в этих условиях, так как он может переходить в хрупкое состояние. Недостаточное сопротивление быстро действующим нагрузкам будет особенно опасным для детали. Особенно опасны динамические нагрузки при наличии трещин. Поэтому во многих ТУ оговаривается необходимость динамических испытаний в определенных условиях.

Некоторые детали могут разрушаться при многократных, особенно знакопеременных нагрузках еще до наступления предела упругости. В связи с этим возникла необходимость испытывать образцы на установках, воспроизводящих те переменные напряжения, которые возникают при эксплуатации. Испытаниям подобного рода присвоено общее название испытаний на усталость.

 

 

Динамические испытания

Из динамических испытаний самым распространенным является испытание на ударный изгиб. Этим испытанием определяют ударную вязкость KCU, т. е. работу, затраченную иа излом надрезанного образца, зависящую от пластичности и прочности. Учитывая, что нагрев образца проводят вне копра и при переносе его из печи к месту испытания теряется тепло на опорах копра, то точно установить температуру испытаний трудно. При определении численных значений характеристик механических свойств стали или сплава необходимо иметь в виду, что значения эти условные. Они зависят от внутренних и внешних факторов. К внутренним факторам относятся: состояние (литое, деформированное, кованое, прокатанное и т. п.) и структура (равноосная, столбчатая, мелкая, крупная); к внешним факторам — температура, схема и скорость деформирования, размеры образца, условия нагружеиия (дробное или непрерывное) и Др.[18, С.143]

Основным видом динамических испытаний, получившим широкое распространение, является ударное испытание надрезанных образцов на маятниковых копрах, главным образом на изгиб. Такие испытания проводят при начальной скорости удара 3 — 6 м/с. Перемещение ударяющего молота в процессе разрушения замедляется, причем тем в большей степени, чем ближе запас потенциальной энергии молота к величине работы, поглощенной в процессе разрушения образца. Между ударными испытаниями на копрах и динамическими испытаниями на высокоскоростных машинах имеется различие. Ударное испытание происходит при расходовании заданного запаса потенциальной энергии без подвода дополнительной энергии извне, из-за чего скорость деформирования в процессе деформации или разрушения может существенно снизиться. При испытаниях на высокоскоростных машинах в процессе деформации и разрушения об-[13, С.209]

 

 

Измерение твердости

Твердость характеризуется способностью металла противостоять проникновению в него другого, более твердого тела. Испытание на твердость производится большей частью путем вдавливания твердого тела в испытуемый материал. Наиболее распространенными методами измерения твердости являются следующие: измерение твердости по Бринеллю, Роквеллу и Виккерсу.

При измерении твердости металла по Бринеллю под действием плавно увеличивающейся нагрузки в испытуемый металл вдавливают стальной шарик и после снятия нагрузки измеряют диаметр отпечатка, оставшегося на поверхности образца. Деление величины нагрузки (в килограммах) на площадь поверхности сферического отпечатка (в квадратных миллиметрах) дает число твердости НВ.

Замер твердости по Роквеллу производится алмазным конусом стандартного типа или стальным закаленным шариком диаметром 1,588 мм. Твердость по Роквеллу измеряется в условных единицах.

Замер твердости по Виккерсу производят при помощи алмазного наконечника, имеющего правильную форму четырехгранной пирамиды, который под действием нагрузки вдавливается в испытуемый образец. После снятия нагрузки измеряют диагонали полученного на образце отпечатка. Число твердости определяют путем деления нагрузки на площадь боковой поверхности полученного пирамидального отпечатка.