Механические свойства материалов

Механические свойства материалов — это способность их сопротивляться деформированию и разрушению в сочетании со способностью упруго и пластически деформироваться под действием внешних механических сил. Основными показателями механических свойств, принятых при обработке металлов, является прочность, пластичность и твердость.

Прочность — это способность твердого тела сопротивляться растяжению, сжатию, срезу, излому, кручению. Прочность является важнейшей характеристикой металла, так как она в значительной мере определяет конструктивные особенности всевозможных сооружений, машин и приборов, а также влияет на технологию обработки металла давлением и резанием.

Пластичность — это свойство твердого тела изменять под действием силы свою форму и размеры без разрушения. Пластичность материалов не является их постоянным свойством и зависит от физических условий, при которых происходит обработка или эксплуатация. Например, чугун, считающийся вообще непластичным металлом, при всестороннем сжатии становится пластичным. При нагревании большинства металлов и сплавов, наряду с понижением их прочности, пластичность повышается, чем широко пользуются при обработке давлением: прессовании, прокатке и т. д.

Твердость — это свойство материала сопротивляться проникновению в него другого, более твердого материала при вдавливании или царапании. Отпечаток, или след, будет тем больше, чем мягче испытуемый материал.

Самое твердое вещество в природе — алмаз, за ним следует карборунд и твердые металлокерамические и минералокерамические сплавы. Из металлов самый твердый — хром — режет стекло, а самые мягкие — калий, рубидий, цезий — легко режутся ножом.

Для определения механических свойств проводят различные испытания, в результате которых выявляются пределы упругости, текучести и прочности, относительное удлинение, твердость и др.

Наиболее распространено испытание растяжением до разрыва образцов (рис. 5) на специальных машинах Обычно эти машины снабжены приборами для вычерчивания кривой испытания — диаграммы растяжения. На такой диаграмме наглядно устанавливается связь между растягивающим усилием (нагрузкой) и удлинением образца. На рис. 6 в качестве примера приведена диаграмма растяжения пластичного металла. Диаграмма показывает, что с увеличением нагрузки от 0 до Pу кривая растяжения на участке OA имеет прямолинейный характер, отвечающий упругому состоянию металла, т. е. такому состоянию, которое исчезает после снятия нагрузки, а длина образца уменьшается до первоначальной.

Нагрузка Pу называется нагрузкой предела упругости, а величина, полученная делением ее на начальную площадь поперечного сечения образца, называется пределом упругости. При увеличении нагрузки свыше Pу наступает момент, когда кривая испытания переходит в горизонтальный участок BC — площадку текучести. Это означает, что длина образца увеличивается при постоянной нагрузке P — металл течет. Нагрузка Pт (соответствующая деформации b0), при которой начинается течение металла, называется нагрузкой предела текучести, а величину, полученную делением ее на начальную площадь поперечного сечения образца, называют пределом текучести и обозначают знаком os, т. е.

где os — предел текучести, кГ/мм2;

Pт — нагрузка предела текучести, кГ;

F0 — начальная площадь поперечного сечения образца, мм2.

За площадкой текучести BC удлинение образца (bу) сопровождается ростом нагрузки до максимального значения P (точка D), после чего на образце начинает образовываться место сужения — шейка. Непрерывно уменьшающееся сечение шейки приводит к падению нагрузки и разрыву образца. Путем деления максимальной нагрузки P на начальную площадь поперечного сечения образца F0 находят предел прочности металла при разрыве, т. е.

где ob — предел прочности при разрыве, кГ/мм2.

Пластичность металлов при испытании на разрыв определяют сопоставлением длины образца до и после разрыва; найденную при расчете величину называют относительным удлинением и обозначают греческой буквой b.

Для нахождения относительного удлинения на образцы перед их испытанием наносят через равные промежутки едва заметные поперечные риски (см рис. 5, е). Расстояние между крайними рисками l0, т. е. расчетную длину образца, устанавливают в соответствии с его формой и размером, руководствуясь специальным ГОСТом.

При растяжении образца расстояние между рисками увеличивается до тех пор, пока образец не разорвется. Сложив вместе два куска разорванного образца, замечают, что расстояние между крайними рисками увеличилось и стало равным l1 (см. рис. 5,г). Для подсчета относительного удлинения пользуются следующей формулой:

где b — относительное удлинение, %;

l0 — расстояние между крайними рисками до разрыва, мм;

l1 — то же, после разрыва, мм.

Необходимо иметь в виду, что, помимо свойств металла, на величину относительного удлинения влияет также расчетная длина образца: чем она меньше, тем больше получается относительное удлинение. Поэтому чтобы иметь возможность получать при испытаниях сопоставимые результаты, на практике применяют образцы определенного размера или, как говорят, длинные и короткие образцы. Расчетная длина круглых длинных образцов принята равной десяти его диаметрам, а коротких — пяти диаметрам. Так, например, если диаметр образца равен 20 мм (см рис. 5,а), то расчетная длина длинного образца l0 = 10*20 = 200 мм.

У плоских образцов расчетную длину находят по формулам:

- для длинных l0 = 11,3 VF0,

- для коротких l0 = 5,65 VF0,

где l0 — расчетная длина образца, мм;

F0 — площадь поперечного сечения до испытания, мм2.

Относительные удлинения, определенные на десятикратных образцах, обозначают знаком b10, а на пятикратных — знаком b5.

Твердость определяется вдавливанием при определенной нагрузке в испытуемый металл стального шарика (по Бринелю) (рис. 7) или алмазного конуса (по Роквеллу) и методом упругой отдачи стального бойка (по Шору).

При испытании твердости вдавливанием стального шарика величину твердости находят, деля нагрузку в килограммах на шаровую поверхность отпечатка в квадратных миллиметрах; твердость при этом обозначается латинскими буквами HB и выражается в кГ/мм2.

Недостатком способа определения твердости вдавливанием шарика или алмазного конуса является остающийся на поверхности изделия отпечаток, что не всегда допустимо.

Способ определения твердости методом упругой отдачи не имеет этого недостатка, так как он основан на упругих свойствах металлов. Стальной боек после падения с определенной высоты на поверхность испытуемого предмета отскакивает вверх. По высоте отскакивания бойка судят о твердости металла: чем выше отскакивает боек, тем тверже металл, и наоборот. Твердость в этом случае измеряется в условных единицах. Такой метод определения твердости по точности несколько уступает двум предыдущим способам.

Значение твердости HB зависит не только от свойств испытуемого материала, но и от величины нагрузки, диаметра шарика и времени выдержки под нагрузкой.

В зависимости от свойств и толщины материала применяют, например, нагрузки в 3000, 1000, 750, 250 кГ и шарики диам. 10; 5 и 2,5 мм.

Чтобы избежать длительных и сложных вычислений, на практике для определения значений твердости HB пользуются специальными таблицами. Например, испытывая твердость при диаметре шарика 10 мм и нагрузке 3000 кГ в течение 30 сек, по таблице находят следующие соотношения:

Чтобы показать, при каких условиях определялась твердость, рядом со знаком HB в скобках ставят условные обозначения величины нагрузки, диаметра шарика и продолжительности испытания, например HB (3000/10/30) = 302 кГ/мм2. Это значит, что твердость 302 кГ/мм2 была получена при вдавливании под нагрузкой 3000 кГ стального шарика диам. 10 мм с выдержкой 30 сек.

Твердость, определенная по методу Роквелла, т. е. вдавливанием алмазного конуса в зависимости от нагрузки, обозначается буквами HRA, если нагрузка равна 60 кГ, и HRC, если нагрузка равна 150 кГ.