Механические свойства и способы определения их количественных характеристик Твердость, вязкость, усталостная прочность

Механическими свойствами называется совокупность свойств, характеризующих способность металлических материалов сопротивляться воздействию внешних усилий (нагрузок). К ним можно отнести: прочность, твёрдость, пластичность, упругость, вязкость, хрупкость, усталость, ползучесть и износостойкость. Механические испытания делят на - статические, при которых нагрузка, действующая на образец, остаётся постоянной или возрастает крайне медленно; - динамические (ударные); -циклические испытания при повторных или знакопеременных нагрузках. Твердость – это сопротивление материала проникновению в его поверхность стандартного тела (индентора), не деформирующегося при испытании. Это неразрушающий метод контроля. Основной метод оценки качества термической обработке изделия. О твердости судят либо по глубине проникновения индентора (метод Роквелла), либо по величине отпечатка от вдавливания (методы Бринелля, Виккерса, микротвердости).

Схемы определения твердости: а – по Бринеллю; б – по Роквеллу; в – по Виккерсу

Твердость по Бринеллю ( ГОСТ 9012) Индентор - стальной закаленный шарик диаметром D 2,5; 5; 10 мм. Нагрузка Р, в зависимости от диаметра шарика и измеряемой твердости: для термически обработанной стали и чугуна – литой бронзы и латуни – алюминия и других очень мягких металлов – Продолжительность выдержки для стали и чугуна – 10 с, для латуни и бронзы – 30 с. Стандартными условиями являются D = 10 мм; Р = 3000 кгс; = 10 с. В этом случае твердость по Бринеллю обозначается НВ 250, в других случаях указываются условия: НВ D / P / НВ 5/ 250 /30 – 80.

Метод Роквелла ГОСТ 9013 Индентор для мягких материалов (до НВ 230) – стальной шарик диаметром 1/16 ( 1,6 мм), для более твердых материалов – конус алмазный. Шкалы для определения твердости по Роквеллу

Метод Виккерса В качестве индентора используется алмазная четырехгранная пирамида.с углом при вершине 136 o. Твердость рассчитывается как отношение приложенной нагрузки P к площади поверхности отпечатка F: Нагрузка Р составляет 5…100 кгС. Способ микротвердости – для определения твердости отдельных структурных составляющих и фаз сплава, очень тонких поверхностных слоев (сотые доли миллиметра). Индентор – пирамида меньших размеров, нагрузки при вдавливании Р составляют 5…500 г.

Метод царапания. Алмазным конусом, пирамидой или шариком наносится царапина, которая является мерой. При нанесении царапин на другие материалы и сравнении их с мерой судят о твердости материала. Можно нанести царапину шириной 10 мм под действием определенной нагрузки. Наблюдают за величиной нагрузки, которая дает эту ширину. Динамический метод (по Шору) Шарик бросают на поверхность с заданной высоты, он отскакивает на определенную величину. Чем больше величина отскока, тем тверже материал.

ВЯЗКОСТЬ (ГОСТ 9454) Вязкость – способность материала поглощать механическую энергию внешних сил за счет пластической деформации. Является энергетической характеристикой материала, выражается в единицах работы. Вязкость металлов и сплавов определяется их химическим составом, термической обработкой и другими внутренними факторами. Также вязкость зависит от условий, в которых работает металл (температуры, скорости нагружения, наличия концентраторов напряжения). Влияние температуры на пластичное и хрупкое состояние

Хладоломкостью называется склонность металла к переходу в хрупкое состояние с понижением температуры. Хладоломкими являются железо, вольфрам, цинк и другие металлы, имеющие объемноцентрированную кубическую и гексагональную плотноупакованную кристаллическую решетку. Ударная вязкость характеризует надежность материала, его способность сопротивляться хрупкому разрушению

На разрушение образца затрачивается работа: где: Р – вес маятника, Н – высота подъема маятника до удара, h – высота подъема маятника после удара. Характеристикой вязкости является ударная вязкость (а н ), - удельная работа разрушения. где: F 0 - площадь поперечного сечения в месте надреза ГОСТ 9454 – 78 ударную вязкость обозначает KCV. KCU. KCT. KC – символ ударной вязкости, третий символ показывает вид надреза: острый (V), с радиусом закругления (U), трещина (Т). Испытывают серию образцов при различных температурах и строят кривые ударная вязкость – температура ( а н – Т), определяя пороги хладноломкости. Порог хладноломкости - температурный интервал изменения характера разрушения, является важным параметром конструкционной прочности. Чем ниже порог хладноломкости, тем менее чувствителен металл к концентраторам напряжений (резкие переходы, отверстия, риски), к скорости деформации.

Испытания на выносливость (ГОСТ 2860) дают характеристики усталостной прочности. Усталость - разрушение материала при повторных знакопеременных напряжениях, величина которых не превышает предела текучести. Усталостная прочность – способность материала сопротивляться усталости. 1 – образование трещины в наиболее нагруженной части сечения, которая подвергалась микродеформациям и получила максимальное упрочнение 2 – постепенное распространение трещины, гладкая притертая поверхность 3 – окончательное разрушение, зона долома, живое сечение уменьшается, а истинное напряжение увеличивается, пока не происходит разрушение хрупкое или вязкое Схема зарождения и развития трещины при переменном изгибе круглого образца

Испытания на усталость (а), кривая усталости (б)

Основные характеристики: Предел выносливости – при симметричном изменении нагрузки, – при несимметричном изменении нагрузки) – максимальное напряжение, выдерживаемое материалом за произвольно большое число циклов нагружения N. Ограниченный предел выносливости – максимальное напряжение, выдерживаемое материалом за определенное число циклов нагружения или время. Живучесть – разность между числом циклов до полного разрушения и числом циклов до появления усталостной трещины.

Изнашивание металлов Износ –процесс отделения материала с поверхности твердого тела и (или) увеличения его остаточной деформации при трении, проявляющейся в постепенном изменении размеров или формы материала. Свойство материала оказывать сопротивление изнашиванию называется износостойкостью (величина обратная скорости изнашивания). Виды изнашивания 1.Коррозионно-механическое (окислительное) изнашивание. 2. Механическое изнашивание (абразивное, гидроабразивное, газоабразивное, эрозионное, кавитационное, усталостное, изнашивание при фреттинге и заедании). 3. Электроэрозионное изнашивание.

Технологические и эксплуатационные свойства Технологические свойства Технологические свойства характеризуют способность материала подвергаться различным способам холодной и горячей обработки. 1. Литейные свойства. Характеризуют способность материала к получению из него качественных отливок. Жидкотекучесть – характеризует способность расплавленного металла заполнять литейную форму. Усадка (линейная и объемная) – характеризует способность материала изменять свои линейные размеры и объем в процессе затвердевания и охлаждения. Ликвация – неоднородность химического состава по объему.

2. Способность материала к обработке давлением. Это способность материала изменять размеры и форму под влиянием внешних нагрузок не разрушаясь. Она контролируется в результате технологических испытаний, проводимых в условиях, максимально приближенных к производственным. Листовой материал испытывают на перегиб и вытяжку сферической лунки. Проволоку испытывают на перегиб, скручивание, на навивание. Трубы испытывают на раздачу, сплющивание до определенной высоты и изгиб. Критерием годности материала является отсутствие дефектов после испытания. 3. Свариваемость. Это способность материала образовывать неразъемные соединения требуемого качества. Оценивается по качеству сварного шва. 4. Способность к обработке резанием. Характеризует способность материала поддаваться обработке различным режущим инструментом. Оценивается по стойкости инструмента и по качеству поверхностного слоя.

Эксплуатационные свойства Эксплуатационные свойства характеризуют способность материала работать в конкретных условиях. Износостойкость – способность материала сопротивляться поверхностному разрушению под действием внешнего трения. Коррозионная стойкость – способность материала сопротивляться действию агрессивных кислотных, щелочных сред. Жаростойкость – это способность материала сопротивляться окислению в газовой среде при высокой температуре. Жаропрочность – это способность материала сохранять свои свойства при высоких температурах. Хладостойкость – способность материала сохранять пластические свойства при отрицательных температурах. Антифрикционность – способность материала прирабатываться к другому материалу. При выборе материала для создания конструкции необходимо полностью учитывать механические, технологические и эксплуатационные свойства.