Механические свойства, определяемые статическими испытаниями

ГЛАВА 4. Механические свойства материалов и методы их определения

Механическими свойствами материалов называются свойства, которые выявляются испытаниями при воздействии внешних нагрузок. В результате таких испытаний определяют численные характеристики механических свойств. Эти характеристики необходимы для выбора материалов и режимов их термической обработки, расчетов на прочность конструкций, контроля их состояния в процессе эксплуатации.

Механические свойства характеризуют сопротивление металла деформации, разрушению или особенности его поведения в процессе эксплуатации. Основную группу составляют стандартные механические характеристики, которые определяют в лабораторных условиях на образцах стандартными методиками.

В зависимости от скорости изменения во времени нагрузки подразделяются на статические и динамические, периодически повторяющиеся нагрузки называют циклическими.

Механические свойства, определяемые статическими испытаниями

Статические испытания позволяют получить достаточно полную информацию о механических свойствах. Они предусматривают крайне медленное и плавное увеличение нагрузки на образец. По способу приложения и характеру действия различают растягивающие, сжимающие, изгибающие, крутящие, срезывающие или сгибающие статические нагрузки. К статическим испытаниям относится и определение твердости.

Наиболее распространены испытания на растяжение (ГОСТ 1497-84), в процессе которых строится диаграмма растяжения образца в координатах «нагрузка – удлинение образца» (рис.1).

Под воздействием приложенной нагрузки в материале в результате структурно-фазовых превращений возникают внутренние силы, которые называются напряжениями σ и выражаются через приложенную внешнюю нагрузку: σ = Р/ F₀ [МПа] _, где F₀ - площадь поперечного сечения, которую принято считать неизменной, поэтому напряжения называются условными, в отличие от истинных, которые учитывают изменение площади поперечного сечения образца при растяжении.

Рис.1. Диаграммы растяжения пластичного (а) и хрупкого (б) материалов.

На рис.2 представлен стандартный образец для испытаний.

Рис.2. Стандартный образец для статических испытаний на растяжение.

На кривой растяжения для пластичных материалов (см.рис.1, а) можно выделить несколько участков и рассчитать следующие прочностные характеристики:

-предел упругости σ _Е (прямолинейный участок – область упругой деформации, подчиняющейся известному закону Гука).

Предел упругости – максимальное напряжение, при котором остаточная деформация практически равна нулю (или крайне мала и задается ГОСТом – 0, 005; 0, 02; 0, 05%). Соответствующие обозначения предела упругости – σ _{0, 005}, σ _{0, 02} и σ _{0, 05}.

- для пластичных материалов, имеющих площадку текучести на кривой растяжения, можно определить предел текучести σ _т.

Предел текучести – минимальное напряжение, при котором материал деформируется (течет) без заметного изменения нагрузки.

Для хрупких материалов, не имеющих площадку текучести, используется условный предел текучести σ _{0, 2}, который определяется графически (см. рис.1, б).

Условный предел текучести – это напряжение, которому соответствует остаточная пластическая деформация 0, 2% от первоначальной длины.

- Предел прочности (временное сопротивление) σ _в – максимальное напряжение, предшествующее разрушению образца.

Пластичность – одно из самых важных свойств материалов, которое в сочетании с высокой прочностью дает высокие конструктивные характеристики и надежность изделий.

К пластическим характеристикам относятся относительное удлинение δ и относительное сужение ψ:

δ = (l _к – l ₀)/ l ₀ х100%; ψ = (F ₀ - F _к) / F ₀ х100%,

где l ₀ и l _к – соответственно начальная и конечная длины образца;

F ₀и F _к – начальная и конечная площади поперечного сечения;

Допустимое напряжение, которое используют в расчетах, выбирают меньше σ _{0, 2}, как правило, в 1, 5 раза, или меньше σ _в – в 2, 4 раза.

Определение твердости.

Твердость – свойство материала сопротивляться внедрению в его поверхность твердого тела – индентора.

1). Твердость по Бринеллю. (Гост 9012-59). При этом в поверхность образца вдавливается под нагрузкой стальной закаленный шарик диаметром 2, 5; 5 или 10 мм. После снятия нагрузки на поверхности остается отпечаток в виде лунки диаметром d (рис.3).

Рис.3. Схема определения твердости по Бринеллю.

Твердость НВ (от английских слов «Hardness»-твердость и первой буквы метода) определяется отношением нагрузки к площади поверхности сферического отпечатка S_отп: НВ=Р/ S_отп.

Площадь сферического отпечатка вычисляют по таблицам, измеряя только его диаметр.

Число твердости по Бринеллю записывают без единиц измерения.

Этот способ используют только для материалов малой и средней твердости, до 450 НВ, т.к. при высокой твердости испытуемых образцов стальной шарик может деформироваться.

2). Твердость по Виккерсу. По схеме измерения метод аналогичен предыдущему (рис.4), но в качестве индентора здесь используется четырехгранная алмазная пирамида. Отпечаток получается в виде квадрата, диагональ которого измеряют после снятия нагрузки.

Рис.5. Схема измерения твердости по Виккерсу.

Твердость определяется по формуле:

НV = 0, 189 P/d² [МПа]

Этим методом измеряют твердость тонких поверхностных слоев, а также материалов с очень высокой твердостью. Преимуществом является возможность плавного изменения нагрузки от 5 до 500 Н.

3). Твердость по Роквеллу. Этот метод измерения твердости универсален и наименее трудоемок. В зависимости от предполагаемой твердости и размеров измеряемых зон в качестве сменного индентора может применяться либо алмазный конус, либо стальной закаленный шарик. При этом нагрузка меняется и строго соответствует индентору. Твердость можно измерять в трех сочетаниях индентора и нагрузки, для каждого сочетания на индикаторе имеется своя измерительная шкала А, В и С, где сразу фиксируется значение твердости:

- для измерения твердых и тонких поверхностных слоев или покрытий индентором служит алмазный конус, а нагрузка выбирается небольшая, чтобы не продавить измеряемые слои – 600 Н; в таком сочетании твердость измеряется по шкале А и обозначается HRA;

- для измерения твердости цветных металлов или других мягких материалов используют стальной закаленный шарик и фиксированную нагрузку 1000 Н; твердость измеряется по шкале В и обозначается HRB;

- твердость материалов после объемной закалки измеряют опять же алмазным конусом, но нагрузка другая – 1500 Н; твердость измеряется по шкале С и обозначается HRC;

Единица твердости по Роквеллу соответствует 0, 002 мм осевого перемещения индентора, а само значение твердости является безразмерной величиной. Применяют обозначение, например, 50 HRC.