4.1 Механические свойства

Работоспособность машин и других сложных технических устройств в значительной степени зависит от механических свойств материалов, из которых они изготовлены. Поэтому механические свойства материалов считаются главными. Численные значения этих свойств определяются опытным путём с помощью различных технических средств и вычислений. Величина значений механических характеристик материалов во многом определяет размеры и массу деталей, а, следовательно, и массу всей конструкции. Увеличение массы изделия увеличивает его стоимость и расходы на эксплуатацию.

Основными механическими характеристиками металлов являются прочность, пластичность, твердость, ударная вязкость и усталостная прочность. Эти свойства не являются постоянными и в значительной степени зависят от режимов испытаний, температуры, воздействия внешних сред и от других факторов.

Прочность – это способность материала сопротивляться пластической деформации и разрушению под воздействием статических и динамических нагрузок. В зависимости от направления действия внешних сил различают прочность на растяжение, сжатие, изгиб, кручение, срез и смятие.

Испытания на растяжение являются основным и наиболее распространённым методом исследования и контроля качественных характеристик многих металлов. Испытания производятся на специальных разрывных машинах. С этой целью растяжению подвергают специальные образцы определённой формы и размеров. Во время испытания к образцу прилагается постепенно возрастающая нагрузка Р до его разрушения. В процессе испытания автоматически снимается диаграмма «нагрузка Р – приращение длины ??». Вид диаграммы не изменится, если на оси ординат откладывать напряжение ? = Р/So (So – площадь поперечного сечения образца), а по оси абсцисс – относительное удлинение ? = ??/?o (?o-начальная длина образца, ?? – его удлинение в процессе испытания).

Кривая деформации для большинства сравнительно пластичных металлов приведена на рис.13. На прямолинейном участке этой кривой имеет место пропорциональная зависимость между напряжением ? и относительной деформацией ?, т.е. ? = Е?. Коэффициент пропорциональности Е, численно равный тангенсу угла наклона прямолинейного участка к оси деформаций, называется модулем нормальной упругости Е или модулем Юнга. Чем больше модуль упругости Е, тем менее пластичен материал и тем меньше он деформируется под воздействием внешней нагрузки.

Кроме того, в пределах прямолинейного участка деформации всегда обратимы. Это означает, что при снятии нагрузки деформация исчезает и образец возвращается к первоначальной длине. Такая деформация называется упругой. Это общее правило называется «закон Гука» в честь сделанного в 1676 году английским учёным Робертом Гуком открытия об изменении удлинения пропорционально нагрузке. Закон Гука справедлив также для деформации сжатия, изгиба, кручения и др.

При напряжениях, превышающих предел упругости, в металле возникают наряду с упругими и пластические деформации. Под пределом упругости при этом понимают условное напряжение, при котором остаточные деформации впервые достигают некоторой заметной величины. В конце прямолинейного участка наблюдается рост пластической деформации испытуемого образца без существенного увеличения внешней нагрузки, т.е. имеет место текучесть материала. Прочность материала при этом характеризуется пределом текучести ?т, представляющим собой минимальное напряжение, при котором наблюдается явление текучести.

Диаграмма растяжения с площадкой текучести характерна для железа, низкоуглеродистых сталей, некоторых видов бронз. Для большинства конструкционных сталей, а также для некоторых алюминиевых, титановых и магниевых сплавов площадка текучести незначительна или отсутствует вовсе. Для хрупких же материалов диаграмма растяжения заканчивается обрывом на начальном прямолинейном участке. По мере удлинения образца напряжение, необходимое для его пластического деформирования, возрастает и при некоторой нагрузке Рв образец разрушается. Отношение этой нагрузки к первоначальной площади сечения образца называется пределом прочности ?в:

?в = Pв / So

Предел текучести многих конструкционных металлов и сплавов составляет обычно от 40 до 85 % от предела прочности на разрыв и наиболее часто используется при расчётах деталей машин. Размеры деталей при этом рассчитываются таким образом, чтобы возникающие в них напряжения были всегда меньше предела текучести, т.е. всегда находились в упругой зоне.

Свойство твёрдых материалов под действием внешних сил изменять без разрушения свои форму и размеры называется пластичностью. Количественно пластичность можно определить максимальным относительным удлинением образца при разрыве ?, %:

? = (? - ?o ) / ?o • 100%

где ? — длина образца после разрыва. Для некоторых марок сталей ? = (15…30)%.

Твёрдость — это способность материала сопротивляться проникновению в него другого более твёрдого тела. Наиболее часто твёрдость металлов определяется по методу Бринелля и по методу Роквелла.

Сущность испытаний по методу Бринелля состоит в том, что в испытуемый образец при постоянной нагрузке Р = 3•104Н вдавливается стальной закалённый шарик диаметром 10 мм. После испытания шарик оставляет на поверхности образца отпечаток диаметром d (рис.14,а). Прибор Бринелля является бесшкальным прибором, и о твёрдости материала судят по диаметру полученного отпечатка. При этом число твёрдости по Бринеллю представляет собой отношение нагрузки, действующей на шарик, к площади отпечатка. Методом Бринелля пользуются для определения твёрдости чугунов, некоторых цветных металлов и сплавов и незакалённых сталей. Одним из недостатков определения твёрдости по этому методу является необходимость измерения на микроскопе диаметра отпечатка, что делает этот процесс сравнительно медленным. Единицы твёрдости в зависимости от диаметра отпечатка определяют затем по специальным таблицам. Число твёрдости по Бринеллю сопровождается символом НВ, например НВ170.

Твердость по Роквеллу определяют чаще всего путём вдавливания в испытуемый образец алмазного конуса с углом при вершине 120? (рис.14,б) под нагрузкой Р = 1500Н. Число твёрдости при этом представляет собой условные единицы, связанные с глубиной проникновения алмазного наконечника в испытуемый материал. Метод Роквелла применяется для испытания материалов с высокой твёрдостью, например, закалённых сталей. В технической документации число твёрдости по Роквеллу сопровождается символом HRCэ, например HRCэ52. При этом величина твёрдости после испытания указывается на шкале прибора. Метод Роквелла благодаря простоте проведения процесса испытания и малой погрешности получил преимущественное применение в промышленности.

В случае определения твердости по Роквеллу мягких отожженных металлов и сплавов в них вдавливают стальной закаленный шарик диаметром 1,588 мм под нагрузкой Р = 1000 Н, а число твердости, обозначаемое, например, HRB90, считают по красной шкале В.

О прочности металлов в известной мере можно судить по их твёрдости. В частности, между прочностью по Бринеллю НВ и пределом прочности ?в существует следующая приблизительная зависимость: для сталей ?в = 0,35 НВ, для отожжённых меди и медных сплавов ?в = 0,55НВ.

Во многих случаях детали машин в процессе эксплуатации подвергаются значительным ударным нагрузкам. В этом случае металл, используемый для изготовления таких деталей, подвергают испытаниям на ударный изгиб.

Испытания проводят на копре маятникового типа (рис.15). Для ударных испытаний на изгиб применяют образцы стандартной формы. Для испытания образец устанавливают на опорах прибора. Сущность испытаний состоит в том, что маятник весом Р поднимают на высоту Н. В этом положении маятник обладает запасом потенциальной энергии К1 = Р•Н. После освобождения от фиксации маятник свободно падает и ударяет по надрезанному образцу. В результате удара образец разрушается, а маятник после разрушения поднимается на меньшую высоту h. После разрушения образца у маятника остаётся запас энергии К2 = Р•h. Следовательно, на разрушение образца затрачена работа К = К1-К2 = Р(Н-h). Отношение этой работы к площади сечения образца в месте надреза Sо называют ударной вязкостью:

КС = Р(H-h)/Sо(МДж/м?).

Наиболее низкую ударную вязкость имеют хрупкие металлы-чугун, бронза, закаленные стали и другие материалы.

Усталостная прочность характеризует способность материала противостоять многократному изменению напряжения в деталях. При достаточно высоких переменных напряжениях и большом числе циклов их повторений в детали образуется усталостная трещина и в процессе её развития деталь разрушается. Существенной особенностью сопротивления усталости является увеличение числа циклов перемены напряжений до разрушения по мере уменьшения амплитуды напряжений. В условиях комнатной температуры усталостное разрушение у многих металлов и сплавов наблюдается при числе циклов 106 и более. Усталостная прочность при этом характеризуется так называемым пределом выносливости, представляющим собой некоторое напряжение, при котором металл выдерживает заданное число циклов изменения напряжений без разрушения.

Акулич Н.В. Процессы производства черных и цветных металлов и их сплавов, Гомель 2008