Механические испытания образцов на прочность. Механические свойства металлов и методы их испытаний

§ 4. МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА

Способность металла сопротивляться воздействию внешних сил характеризуется механическими свойствами. Поэтому при выборе материала для изготовления деталей машин необходимо прежде всего учитывать его механические свойства: прочность, упругость, пластичность, ударную вязкость, твердость и выносливость. Эти свойства определяют по результатам механических испытаний, при которых металлы подвергают воздействию внешних сил (нагрузок). Внешние силы могут быть статическими, динамическими или циклическими (повторно-переменными). Нагрузка вызывает в твердом теле напряжение и деформацию.
Напряжение - величина нагрузки, отнесенная к единице площади поперечного сечения испытуемого образца. Деформация – изменение формы и размеров твердого тела под влиянием приложенных внешних сил. Различают деформации растяжения (сжатия), изгиба, кручения, среза (рис. 8). В действительности материал может подвергаться одному или нескольким видам деформации одновременно.

Рис. 8. Виды деформаций:
а - сжатие, б - растяжение, в - кручение, г - срез, д - изгиб

Рис. 9. Диаграмма растяжения:
а - условная диаграмма в координатах Р-∆l, б – условная диаграмма напряжений и диаграмма истинных напряжений

Для определения прочности, упругости и пластичности металлы в виде образцов круглой или плоской формы испытывают на статическое растяжение (ГОСТ 1497-73). Испытания проводят на разрывных машинах. В результате испытаний получают диаграмму растяжения (рис. 9). По оси абсцисс этой диаграммы откладывают значения деформации, а по оси ординат - нагрузки, приложенные к образцу.
Прочность - способность материала сопротивляться разрушению под действием нагрузок оценивается пределом прочности и пределом текучести. Важным показателем прочности материала является также удельная прочность – отношение предела прочности материала к его плотности. Предел прочности σ в (временное сопротивление) - это условное напряжение в Па (Н/м 2), соответствующее наибольшей нагрузке, предшествующей разрушению образца: σ в =P max /F 0 , где P max - наибольшая нагрузка, Н; F 0 - начальная площадь поперечного сечения рабочей части образца, м 2 . Истинное сопротивление разрыву S к - это напряжение, определяемое отношением нагрузки Р к в момент разрыва к площади минимального поперечного сечения образца после разрыва F к (S к = Р к / F к).
Предел текучести (физический) σ т - это наименьшее напряжение (в МПа), при котором образец деформируется без заметного увеличения нагрузки: σ т =Р т /F 0 , где Р т - нагрузка, при которой наблюдается площадка текучести, Н.
Площадку текучести имеют в основном только малоуглеродистая сталь и латуни. Другие сплавы площадки текучести не имеют. Для таких материалов определяют предел текучести (условный), при котором остаточное удлинение достигает 0,2% от расчетной длины образца: σ 0,2 =Р 0,2 /F 0 .
Упругость - способность материала восстанавливать первоначальную форму и размеры после прекращения действия нагрузки Р уп оценивают пределом пропорциональности σ пц и пределом упругости σ уп.
Предел пропорциональности σ пц - напряжение (МПа), выше которого нарушается пропорциональность между прилагаемым напряжением и деформацией образца σ пц =Р пц /F 0 .
Предел упругости (условный) σ 0,05 - это условное напряжение в МПа, соответствующее нагрузке, при которой остаточная деформация впервые достигает 0,05% от расчетной длины образца l0: σ 0,05 =P 0,05 /F 0 , где P 0,05 - нагрузка предела упругости, Н.
Пластичность , т. е. способность материала принимать новую форму и размеры под действием внешних сил, не разрушаясь, характеризуется относительным удлинением и относительным сужением.
Относительное удлинение (после разрыва) δ - это отношение приращения (l к -l 0) расчетной длины образца после разрыва к его первоначальной расчетной длине l 0 , выраженное в процентах: δ=[(l к -l 0)/l 0 ]100%.
Относительное сужение (после разрыва) φ - это отношение разности начальной и минимальной площадей (F 0 -F к) поперечного сечения образца после разрыва к начальной площади F 0 поперечного сечения, выраженное в процентах: φ=[(F 0 -F к)/F 0 ]100%.
Чем больше значения относительного удлинения и сужения для материала, тем он более пластичен. У хрупких материалов эти значения близки к нулю. Хрупкость конструкционного материала является отрицательным свойством.
Ударная вязкость , т. е. способность материала сопротивляться динамическим нагрузкам, определяется как отношение затраченной на излом образца работы W (в МДж) к площади его поперечного сечения F (в м 2) в месте надреза КС=W/F.
Для испытания (ГОСТ 9454-78) изготовляют специальные стандартные образцы, имеющие форму квадратных брусочков с надрезом. Испытывают образец на маятниковых копрах. Свободно падающий маятник копра ударяет по образцу со стороны, противоположной надрезу. При этом фиксируется работа.
Определение ударной вязкости особенно важно для некоторых металлов, работающих при минусовых температурах и проявляющих склонность к хладноломкости. Чем ниже порог хладноломкости, т. е. температура, при которой вязкое разрушение материала переходит в хрупкое, и больше запас вязкости материала, тем больше ударная вязкость материала. Хладноломкость - снижение ударной вязкости при низких температурах.
Циклическая вязкость - это способность материалов поглощать энергию при повторнопеременных нагрузках. Материалы с высокой циклической вязкостью быстро гасят вибрации, которые часто являются причиной преждевременного разрушения. Например, чугун, имеющий высокую циклическую вязкость, в некоторых случаях (для станин и других корпусных деталей) является более ценным материалом, чем углеродистая сталь.
Твердостью называют способность материала сопротивляться проникновению в него другого, более твердого тела. Высокой твердостью должны обладать металлорежущие инструменты: резцы, сверла, фрезы, а также поверхностноупрочненные детали. Твердость металла определяют способами Бринелля, Роквелла и Виккерса (рис. 10).
Способ Бринелля (ГОСТ 9012-59) основан на том, что в плоскую поверхность металла вдавливают под постоянной нагрузкой стальной закаленный шарик. Диаметр шарика и величину нагрузки устанавливают в зависимости от твердости и толщины испытываемого металла. Твердость по Бринеллю определяют на твердомере ТШ (твердомер шариковый). Испытание проводят следующим образом. На поверхности образца, твердость которого нужно измерить, напильником или абразивным кругом зачищают площадку размером 3-5 см 2 . Образец ставят на столик прибора и поднимают до соприкосновения со стальным шариком, который укреплен в шпинделе прибора. Груз опускается и вдавливает шарик в испытываемый образец. На поверхности металла образуется отпечаток. Чем больше отпечаток, тем металл мягче.
За меру твердости НВ принимают отношение нагрузки к площади поверхности отпечатка диаметром d и глубиной t, который образуется при вдавливании силой Р шарика диаметра D (см. рис. 10, а).

Рис. 10. Определение твердости металла методами Бринелля (а), Роквелла (б) и Виккерса (в)

Числовое значение твердости определяют так: измеряют диаметр отпечатка с помощью оптической лупы (с делениями) и по полученному значению находят в таблице, приложенной к ГОСТу, соответствующее число твердости.
Преимущество способа Бринелля заключается в простоте испытания и точности получаемых результатов. Способом Бринелля не рекомендуется измерять твердость материалов с НВ>450, например закаленной стали, так как при измерении шарик деформируется и показания искажаются.
Для испытания твердых материалов применяют способ Роквелла (ГОСТ 9013-59). В образец вдавливают алмазный конус с углом при вершине 120° или стальной закаленный шарик диаметром 1,59 мм. Твердость по Роквеллу измеряется в условных единицах. Условная величина единицы твердости соответствует осевому перемещению наконечника на 0,002 мм. Испытание проводят на приборе ТК. Значение твердости определяется по глубине отпечатка h и отсчитывают по циферблату индикатора, установленному на приборе. Во всех случаях предварительная нагрузка Р 0 равна 100 Н.
При испытании металлов с высокой твердостью применяют алмазный конус и общую нагрузку P=P 0 +P 1 =1500 Н. Твердость отсчитывают по шкале «С» и обозначают HRC.
Если при испытании берется стальной шарик и общая нагрузка 1000 Н, то твердость отсчитывается по шкале «В» и обозначается HRB.
При испытании очень твердых или тонких изделий используют алмазный конус и общую нагрузку 600 Н. Твердость отсчитывается по шкале «А» и обозначается HRA. Пример обозначения твердости по Роквеллу: HRC 50 - твердость 50 по шкале «С».
При определении твердости способом Виккерса (ГОСТ 2999-75) в качестве вдавливаемого в материал наконечника используют четырехгранную алмазную пирамиду с углом при вершине 136°. При испытаниях применяют нагрузки от 50 до 1000 Н (меньшие значения нагрузки для определения твердости тонких изделий и твердых, упрочненных поверхностных слоев металла). Числовое значение твердости определяют так: замеряют длины обеих диагоналей отпечатка после снятия нагрузки и с помощью микроскопа и по полученному среднему арифметическому значению длины диагонали находят в таблице соответствующее число твердости. Пример обозначения твердости по Виккерсу – HV 500.
Для оценки твердости металлов в малых объемах, например, на зернах металла или его структурных составляющих применяют способ определения микротвердости . Наконечник (индентор) прибора представляет собой алмазную четырехгранную пирамиду (с углом при вершине 136°, таким же, как и у пирамиды при испытании по Виккерсу). Нагрузка на индентор невелика и составляет 0,05-5 Н, а размер отпечатка 5-30 мкм. Испытание проводят на оптическом микроскопе ПМТ-3, снабженном механизмом нагружения. Микротвердость оценивают по величине диагонали отпечатка.
Усталостью называют процесс постепенного накопления повреждений материала под действием повторно-переменных напряжений, приводящий к образованию трещин и разрушению. Усталость металла обусловлена концентрацией напряжений в отдельных его объемах, в которых имеются неметаллические включения, газовые пузыри, различные местные дефекты и т. д. Характерным является усталостный излом, образующийся после разрушения образца в результате многократного нагружения (рис. 11) и состоящий из двух разных по внешнему виду частей. Одна часть излома 1 с ровной (затертой) поверхностью образуется вследствие трения поверхностей в области трещин, возникших от действия повторно-переменных нагрузок, другая часть 2 с зернистым изломом возникает в момент разрушения образца. Испытания на усталость проводят на специальных машинах. Наиболее распространены машины для повторно-переменного изгибания вращающегося образца, закрепленного одним или обоими концами, а также машины для испытаний на растяжение – сжатие и на повторно-переменное кручение. В результате испытаний определяют предел выносливости, характеризующий сопротивление усталости.

Механические свойства характеризуют сопротивление металла деформации и разрушению под действием механических сил (нагрузки).

К основным механическим свойствам относят:

Прочность
- пластичность
- ударную вязкость
- твердость

Прочность – это способность металла не разрушаться под действием механических сил (нагрузки).

Пластичность – это способность металла изменять форму (деформироваться) под действием механических сил (нагрузки) без разрушения.

Определяет способность металла противостоять ударным (динамическим) механическим силам (ударным нагрузкам).

Твердость – это способность металла сопротивляться проникновению в него других более твердых материалов.

Виды и условия механических испытаний металлов

Для определения механических свойств выполняют следующие виды испытаний:

Испытания на растяжение;
- испытания на статический изгиб;
- испытания на ударный изгиб;
- измерение твердости.

К условиям испытаний образцов относятся: температура, вид и характер приложения нагрузки к образцам.

Температура проведения испытаний:

Нормальная (+20°С);
- низкая (ниже +20°С, температура 0...-60°С);
- высокая (выше+20°С, температура +100...+1200°С).

Вид нагрузок:

растяжение
сжатие
изгиб
кручение
срез

Характер приложения нагрузки:

Нагрузка возрастает медленно и плавно или остаётся постоянной - статические испытания;
- нагрузка прилагается с большими скоростями; нагрузка ударная - динамические испытания;
- нагрузка многократная повторно-переменная; нагрузка изменяется по величине или по величине и направлению (растяжение и сжатие) - испытания на выносливость.

Образцы для механических испытаний

Механические испытания выполняют на стандартных образцах. Форма и размеры образцов устанавливаются в зависимости от вида испытаний.

Для механических испытаний на растяжение используют стандартные цилиндрические (круглого сечения) и плоские (прямоугольного сечения) образцы. Для цилиндрических образцов в качестве основных приняты образцы диаметром dо=10 мм короткий lо=5×do = 50 мм и длинный lо=10×do = 100 мм.

Плоские образцы имеют толщину равную толщине листа, а ширина устанавливается равной 10, 15, 20 или 30 мм.

Плоский образец без головок для захватов разрывной машины

Плоский образец с головками

Механические свойства, определяемые при статических испытаниях

Статическими называют испытания, при которых прилагаемая нагрузка к образцу возрастает медленно и плавно.

При статических испытаниях на растяжение определяются следующие основные механические характеристики металла:

Предел текучести (σ т);
- предел прочности или временное сопротивление (σ в);
- относительное удлинение (δ);
- относительное сужение (ψ).

– это напряжение, при котором образец деформируется без заметного увеличения растягивающей нагрузки.

– это напряжение при максимальной нагрузке, предшествующей разрушению образца.

– это отношение приращения длины образца после разрушения к его начальной длине до испытания.

– это отношение уменьшения площади поперечного сечения образца после разрушения к его начальной площади до испытания.

При испытании на статическое растяжение железо и другие пластические металлы имеют площадку текучести, когда образец удлиняется при постоянной нагрузке Рm.

При максимальной нагрузке Рmax в одном участке образца появляется сужение поперечного сечения, так называемая “шейка”. В шейке начинается разрушение образца. Так как сечение образца уменьшается, то разрушение образца происходит при нагрузке меньше максимальной. В процессе испытания приборы рисуют диаграмму растяжения, по которой определяют нагрузки. После испытания разрушенные образцы складывают вместе и измеряют конечную длину и диаметр шейки. По этим данным рассчитывают прочность и пластичность.

Механические испытания на ударный изгиб

Динамическими называют испытания, при которых скорость деформирования значительно выше, чем при статических испытаниях.

Динамические испытания на ударный изгиб выявляют склонность металла к хрупкому разрушению. Метод основан на разрушении образца с надрезом (концентратором напряжений) одним ударом маятникового копра.

Стандарт предусматривает образцы с надрезами трех видов:

образец U – образный с радиусом R = 1 мм (метод KCU);

образец V – образный с радиусом R = 0.25 мм (метод KCV);

образец I – образный с усталостной трещиной (метод КСТ).

Под ударной вязкостью понимают работу удара, отнесенную к начальной площади поперечного сечения образца в месте концентратора.

После испытания по шкале маятникового копра определяют работу удара, которую затрачивают на разрушение образца. Площадь сечения образца определяют до разрушения.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТВЕРДОСТИ МЕТАЛЛОВ

Твердостью называется свойство металла оказывать сопротивление пластической деформации в поверхностном слое при вдавливании шарика, конуса или пирамиды. Измерение твердости отличается простотой и быстротой осуществления и выполняется без разрушения изделия. Широкое применение нашли три метода определения твердости:

Твердость по Бринеллю (единица твердости обозначается HB);
- твердость по Роквеллу (единица твердости обозначается HR);
- твердость по Виккерсу (единица твердости обозначается HV).

Определение твердости по Бринеллю заключается во вдавливании стального шарика диаметром D = 10 мм в образец (изделие) под действием нагрузки и в измерении диаметра отпечатка d после снятия нагрузки.

Твердость по Бринеллю обозначают цифрами и буквами НВ, например, 180 НВ. Чем меньше диаметр отпечатка, тем выше твердость. Чем выше твердость, тем больше прочность металла и меньше пластичность. Чем мягче металл, тем меньше устанавливают нагрузку на приборе. Так при определении твердости стали и чугуна нагрузку принимают 3000 Н, никеля, меди и алюминия – 1000 Н, свинца и олова – 250 Н.

Определение твердости по Роквеллу заключается во вдавливании наконечника с алмазным конусом (шкалы А и С) или стального шарика диаметром 1.6 мм (шкала В) в испытуемый образец (изделие) под действием последовательно прилагаемых предварительной (Ро)и основной (Р) нагрузок и в измерении глубины внедрения наконечника (h). Твердость по Роквеллу обозначается цифрами и буквами HR с указание шкалы. Например, 60 HRC (твердость 60 по шкале С).

Определение твердости по Виккерсу заключается во вдавливании алмазного наконечника, имеющего форму правильной четырехгранной пирамиды, в образец (изделие) под действием нагрузки и в измерении диагонали отпечатка d, оставшегося после снятия нагрузки. Метод используется для определения твердости деталей малой толщины и тонких поверхностных слоёв с высокой твердостью. Твердость по Виккерсу обозначается цифрами и буквами HV, например, 200 HV.

Испытания на статический изгиб

Технологические испытания на статический изгиб служит для определения способности металла воспринимать заданный по форме и размерам загиб. Аналогичные испытания проводят и на сварных соединениях.

Испытанию на загиб подвергают образцы из листового и фасонного (пруток, квадрат, уголок, швеллер и др.) металла. Для листового металла ширина образца (b) принимается равной двойной толщине(2 t), но не менее 10 мм. Радиус оправки указывается в технических условиях.

Различают три вида изгиба:

Загиб до определенного угла;
- загиб вокруг оправки до параллельности сторон;
- загиб вплотную до соприкосновения сторон (сплющивание).

Отсутствие в образце трещин, надрывов, расслоений или излома является признаком того, что образец выдержал испытание.

Методы определения механических свойств металлов разделяют на:
- статические, когда нагрузка растет медленно и плавно (испытания на растяжение, сжатие, изгиб, кручение, твердость);
- динамические, когда нагрузка растет с большой скоростью (испытания на ударный изгиб);
- циклические, когда нагрузка многократно изменяется по величине и направлению (испытания на усталость).

Испытание на растяжение

При испытании на растяжение определяют предел прочности (σ в), предел текучести (σ т), относительное удлинение (δ ) и относительное сужение (ψ ). Испытания проводят на разрывных машинах c использованием стандартных образцов с площадью поперечного сечения Fo и рабочей (расчетной) длиной lo. В результате проведения испытаний получают диаграмму растяжения (рис. 1). На оси абсцисс указывается значение деформации, на оси ординат – значение нагрузки, которая прилагается к образцу.
Предел прочности (σ в) – это максимальная нагрузка, которую выдерживает материал без разрушения, отнесенная к начальной площади поперечного сечения образца (Pmax/Fo).

Рис. 1. Диаграмма растяжения

Необходимо отметить, что при растяжении образец удлиняется, а его поперечное сечение непрерывно уменьшается. Истинное напряжение определяется делением действующей в определенный момент нагрузки на площадь, которую образец имеет в этот момент. Истинные напряжения в повседневной практике не определяют, а пользуются условными напряжениями, считая, что поперечное сечение Fо образца остается неизменным.

Предел текучести (σ т) – это нагрузка, при которой происходит пластическая деформация, отнесенная к начальной площади поперечного сечения образца (Рт / Fo). Однако при испытаниях на растяжение у большинства сплавов площадки текучести на диаграммах нет. Поэтому определяется условный предел текучести (σ 0.2) - напряжение, которому соответствует пластическая деформация 0,2%. Выбранное значение 0,2% достаточно точно характеризует переход от упругих деформаций к пластическим.

К характеристикам материала относят также предел упругости (σ пр), под которым подразумевают напряжение, при котором пластическая деформация достигает заданного значения. Обычно используют значения остаточной деформации 0,005; 0,02; 0,05%. Таким образом, σ 0,05 = Рпр / Fo (Рпр – нагрузка, при которой остаточное удлинение составляет 0,05%).

Предел пропорциональности σ пц = Рпц / Fo (Рпц – максимальная нагрузка, при действии которой еще выполняется закон Гука).

Пластичность характеризуется относительным удлинением (δ ) и относительным сужением (ψ ):

δ = [(lk - lo)/lo]∙100% ψ = [(Fo – Fk)/Fo]∙100%,

где lk - конечная длина образца; lo и Fo - начальные длина и площадь поперечного сечения образца; Fk - площадь поперечного сечения в месте разрыва.

Для малопластичных материалов испытания на растяжение вызывают затруднения, поскольку незначительные перекосы при установке образца вносят существенную погрешность в определение разрушающей нагрузки. Такие материалы, как правило, подвергают испытанию на изгиб.

Испытание на твердость

Нормативные документы:

ГОСТ 8.062—85 «Государственная система обеспечения единства измерений. Государственный специальный эталон и государственная поверочная схема для средств измерений твердости по шкалам Бринелля»

ГЭТ 33—85 «Государственный специальный эталон единиц твердости по шкалам Бринелля»

Твердость – способность материала оказывать сопротивление проникновению в него другого, более твердого тела – индентора. Твердость материала определяют методами Бринелля, Роквелла, Виккерса, Шора (рис.2).

а	б	в

Рис. 2. Схемы определения твердости по Бринеллю(а), Роквеллу(б) и Виккерсу(в)

Твердость металла по Бринеллю указывается буквами НВ и числом. Для перевода числа твердости в систему СИ пользуются коэффициентом К = 9,8 106, на который умножают значение твердости по Бринеллю: НВ = НВ К, Па.

Метод определения твердости по Бринеллю не рекомендуется применять для сталей с твердостью свыше НВ 450 и цветных металлов с твердостью более 200 НВ.

Для различных материалов установлена корреляционная связь между пределом прочности (в МПа) и числом твердости НВ: σ в ≈ 3,4 НВ - для горячекатаных углеродистых сталей; σ в ≈ 4,5 НВ - для медных сплавов, σ в ≈ 3,5НВ - для алюминиевых сплавов.

Определение твердости методом Роквелла осуществляют путем вдавливания в металл алмазного конуса или стального шарика. Прибор Роквелла имеет три шкалы – А,В,С. Алмазный конус применяют для испытания твердых материалов (шкалы А и С), а шарик – для испытания мягких материалов (шкала В). В зависимости от шкалы твердость обозначается буквами HRB, HRC, HRA и выражается в специальных единицах.

При измерении твердости по методу Виккерса производят вдавливание в поверхность металла (шлифуемую или полируемую) четырехгранной алмазной пирамиды. Этот метод применяют для определения твердости деталей малой толщины и тонких поверхностных слоев, которые имеют высокую твердость (например, после азотирования). Твердость по Виккерсу обозначают HV. Перевод числа твердости HV в систему СИ производится аналогично переводу числа твердости НВ.

При измерении твердости по методу Шора шарик с индентором падает на образец, перпендикулярно его поверхности, а твердость определяется по высоте отскока шарика и обозначается HS.

Метод Кузнецова - Герберта - Ребиндера - твёрдость определяется временем затухания колебаний маятника, опорой которого является исследуемый металл.

Испытание на ударную вязкость

Ударная вязкость характеризует способность материала оказывать сопротивление динамическим нагрузкам и проявляющейся при этом склонности к хрупкому разрушению. Для испытания на удар изготовляют специальные образцы с надрезом, которые потом разрушают на маятниковом копре (рис.3). По шкале маятникового копра определяют работу К, затраченную на разрушение, и рассчитывают основную характеристику, получаемую в результате этих испытаний – ударную вязкость. Она определяется отношением работы разрушения образца к площади его поперечного сечения и измеряется в МДж/м 2 .

Для обозначения ударной вязкости применяют буквы КС и добавляют третью, которая указывает на вид надреза на образце: U, V, T. Запись KCU означает ударную вязкость образца с U-подобным надрезом, KCV - с V-подобным надрезом, а KCT - с трещиной, созданной в основании надреза. Работа разрушения образца при проведении ударных испытаний содержит две составляющие: работу зарождения трещины (Аз) и работу распространения трещины (Ар).

Определение ударной вязкости особенно важно для металлов, которые работают при низких температурах и выявляют склонность к хладноломкости, то есть к снижению ударной вязкости при понижении температуры эксплуатации.

Рис. 3. Схема маятникового копра и ударного образца

При проведении ударных испытаний образцов с надрезом при низких температурах определяют порог хладноломкости, который характеризует влияние снижения температуры на склонность материала к хрупкому разрушению. При переходе от вязкого к хрупкому разрушению наблюдается резкое снижение ударной вязкости в интервале температур, который имеет название температурный порог хладноломкости. При этом изменяется строение излома от волокнистого матового (вязкое разрушение) к кристаллическому блестящему (хрупкое разрушение). Порог хладноломкости обозначают интервалом температур (tв.– tхр.) или одной температурой t50, при которой в изломе образца наблюдается 50% волокнистой составляющей или же величина ударной вязкости снижается в два раза.

О пригодности материала к работе при заданной температуре судят по температурному запасу вязкости, который определяется по разнице между температурой эксплуатации и переходной температурой хладноломкости, и чем он больше, тем надежнее материал.

Испытание на усталость

Усталость – процесс постепенного накопления повреждений материала под действием повторно-переменных напряжений, которые приводят к образованию трещин и разрушений. Усталость металла вызывается концентрацией напряжений в отдельных его объемах (в местах скопления неметаллических и газовых включений, структурных дефектов). Свойство металла сопротивляться усталости называется выносливостью.

Испытания на усталость проводят на машинах для повторно-переменного изгибания вращающегося образца, закрепленного одним или обоими концами, или на машинах для испытаний на растяжение-сжатие, или на повторно-переменное скручивание. В результате испытаний определяют предел выносливости, который характеризует сопротивление материала усталости.

Предел выносливости – максимальное напряжение, при действии которого не происходит усталостного разрушения после базового количества циклов нагружения.

Предел выносливости обозначается σ R , где R - коэффициент асимметрии цикла.

Для определения предела выносливости проводят испытания не менее десяти образцов. Каждый образец испытывают только при одном напряжении до разрушения или при базовом числе циклов. Базовое число циклов должно быть не ниже 107 нагружений (для стали) и 108 (для цветных металлов).

Важной характеристикой конструкционной прочности является живучесть при циклическом нагружении, под которой понимают продолжительность эксплуатации детали от момента зарождения первой макроскопической усталостной трещины размером 0,5…1 мм до окончательного разрушения. Живучесть имеет особое значение для надежности эксплуатации изделий, безаварийная работа которых поддерживается путем раннего обнаружения и предотвращения дальнейшего развития усталостных трещин.

Испытание на растяжение металла заключаются в растяжении образца с построением графика зависимости удлинения образца (Δl) от прилагаемой нагрузки (P), с последующим перестроением этой диаграммы в диаграмму условных напряжений (σ - ε)

Испытания на растяжение проводятся по , по этому же ГОСТу определяются и образцы на которых проводятся испытания.

Как уже говорилось выше, при испытаниях строится диаграмма растяжения металла. На ней есть несколько характерных участков:

1. Участок ОА - участок пропорциональности между нагрузкой Р и удлинением ∆l. Это участок, на котором сохраняется закон Гука. Данная пропорциональность была открыта Робертом Гуком в 1670 г. и в дальнейшем получила название закона Гука.
2. Участок ОВ - участок упругой деформации. Т.е., если к образцу приложить нагрузку, не превышающую Ру, а потом разгрузить, то при разгрузке деформации образца будут уменьшаться по тому же закону, по которому они увеличивались при нагружении

Выше точки В диаграмма растяжения отходит от прямой - деформация начинает расти быстрее нагрузки, и диаграмма принимает криволинейный вид. При нагрузке, соответствующей Рт (точка С), диаграмма переходит в горизонтальный участок. В этой стадии образец получает значительное остаточное удлинение практически без увеличения нагрузки. Получение такого участка на диаграмме растяжения объясняется свойством материала деформироваться при постоянной нагрузке. Это свойство называется текучестью материала, а участок диаграммы растяжения, параллельный оси абсцисс, называется площадкой текучести.
Иногда площадка текучести носит волнообразный характер. Это чаще касается растяжения пластичных материалов и объясняется тем, что вначале образуется местное утонение сечения, затем это утонение переходит на соседний объем материала и этот процесс развивается до тех пор, пока в результате распространения такой волны не возникает общее равномерное удлинение, отвечающее площадке текучести. Когда имеется зуб текучести, при определении механических свойств материала, вводят понятия о верхнем и нижнем пределах текучести.

После появления площадки текучести, материал снова приобретает способность сопротивляться растяжению и диаграмма поднимается вверх. В точке D усилие достигает максимального значения Pmax. При достижении усилия Pmax на образце появляется резкое местное сужение - шейка. Уменьшение площади сечения шейки вызывает падение нагрузки и в момент, соответствующий точке K диаграммы, происходит разрыв образца.

Прилагаемая нагрузка для растяжения образца зависит от геометрии этого образца. Чем больше площадь сечения, тем более высокая нагрузка необходима для растяжения образца. По этой причине, получаемая машинная диаграмма не дает качественной оценки механических свойств материала. Чтобы исключить влияние геометрии образца, машинную диаграмму перестраивают в координатах σ − ε путем деления ординат P на первоначальную площадь сечения образца A0 и абсцисс ∆l на lо. Перестроенная таким образом диаграмма называется диаграммой условных напряжений. Уже по этой, новой диаграмме, определяют механические характеристики материала.

Определяются следующие механические характеристики:

Предел пропорциональности σпц – наибольшее напряжение, после которого нарушается справедливость закона Гука σ = Еε , где Е – модуль продольной упругости, или модуль упругости первого рода. При этом Е =σ/ε = tgα , т. е. модуль E это тангенс угла наклона прямолинейной части диаграммы к оси абсцисс

Предел упругости σу - условное напряжение, соответствующее появлению остаточных деформаций определенной заданной вели­чины (0,05; 0,001; 0,003; 0,005%); допуск на остаточную деформа­цию указывается в индексе при σу

Предел текучести σт – напряжение, при котором происходит увеличение деформации без заметного увеличения растягивающей нагрузки

Также выделяют условный предел текучести - это условное напряжение, при котором остаточная деформация достигает определенной величины (обычно 0,2% от рабочей длины образца; тогда условный предел текучести обозначают как σ0,2). Величину σ0,2 определяют, как правило, для материалов, у которых на диаграмме отсутствует площадка или зуб текучести

Металлам присущи высокая пластичность, тепло- и электропро­водность. Они имеют характерный металлический блеск.

Свойствами металлов обладают около 80 элементов периодиче­ской системы Д.И. Менделеева. Для металлов, а также для метал­лических сплавов, особенно конструкционных, большое значение имеют механические свойства, основными из которых являются прочность, пластичность, твердость и ударная вязкость.

Под действием внешней нагрузки в твердом теле возникают на­пряжение и деформация. отнесенная к первоначальной площади поперечного сече­ния образца.

Деформация – это изменение формы и размеров твердого тела под действием внешних сил или в результате физических процессов, возникающих в теле при фазовых превращениях, усадке и т.п. Де­формация может быть упругая (исчезает после снятия нагрузки) и пластическая (сохраняется после снятия нагрузки). При все возрас­тающей нагрузке упругая деформация, как правило, переходит в пла­стическую, и далее образец разрушается.

В зависимости от способа приложения нагрузки методы испытания механических свойств ме­таллов, сплавов и других материалов делятся на статические, динамические и знакопеременные.

Прочность – способность металлов оказывать сопротивление де­формации или разрушению статическим, динамическим или знако­переменным нагрузкам. Прочность металлов при статических нагрузках испытывают на растяжение, сжатие, изгиб и кручение. Испытание на разрыв является обязательным. Прочность при динамических нагрузках оценивают удельной ударной вязкостью, а при знакопеременных нагрузках – усталостной прочностью.

Для определения прочности, упругости и пластичности металлы в виде образцов круглой или плоской формы испытывают на статическое растяжение. Испытания проводят на разрывных машинах. В результате испытаний получают диаграмму растяжения (рис. 3.1). По оси абсцисс этой диаграммы откладывают значения деформации, а по оси ординат – значения напряжения, приложенного к образцу.

Из графика видно, что сколь бы ни было мало приложенное напряжение, оно вызывает деформацию, причем начальные деформации являются всегда упругими и величина их находится в прямой зависимости от напряжения. На кривой, приведенной на диаграмме (рис. 3.1), упругая деформация характеризуется линией ОА и ее продолжением.

Рис. 3.1. Кривая деформации

Выше точки А нарушается пропорциональность между напряжением и деформацией. Напряжение вызывает уже не только упругую, но и остаточную, пластическую деформацию. Величина ее равна горизонтальному отрезку от штриховой линии до сплошной кривой.

При упругом деформировании под действием внешней силы изменяется расстояние между атомами в кристаллической решетке. Снятие нагрузки устраняет причину, вызвавшую изменение межатомного расстояния, атомы становятся на прежние места и деформация исчезает.

Пластическое деформирование представляет собой совершенно другой, значительно более сложный процесс. При пластическом деформировании одна часть кристалла перемещается по отношению к другой. Если нагрузку снять, то перемещенная часть кристалла не возвратится на старое место; деформация сохранится. Эти сдвиги обнаруживаются при микроструктурном исследовании. Кроме того, пластическое деформирование сопровождается дроблением блоков мозаики внутри зерен, а при значительных степенях деформации наблюдается также заметное изменение форм зерен и их расположения в пространстве, причем между зернами (иногда и внутри зерен) возникают пустоты (поры).

Представленная зависимость ОАВ (см. рис. 3.1) между приложенным извне напряжением (σ ) и вызванной им относительной деформацией (ε ) характеризует механические свойства металлов.

· наклон прямой ОА показывает жесткость металла , или характеристику того, как нагрузка, приложенная извне, изменяет межатомные расстояния, что в первом приближении характеризует силы межатомного притяжения;

· тангенс угла наклона прямой ОА пропорционален модулю упругости (Е ), который численно равен частному от деления напряжения на относительную упругую деформацию:

· напряжение, которое называется пределом пропорциональности (σ пц), соответствует моменту появления пластической деформации. Чем точнее метод измерения деформации, тем ниже лежит точка А ;

· в технических измерениях принята характеристика, именуемая пределом текучести (σ 0,2). Это напряжение, вызывающее остаточную деформацию, равную 0,2 % от длины или другого размера образца, изделия;

· максимальное напряжение (σ в) соответствует максимальному напряжению, достигнутому при растяжении, и называется временным сопротивлением или пределом прочности .

Еще одной характеристикой материала является величина пластической деформации, предшествующая разрушению и определяемая как относительное изменение длины (или поперечного сечения) – так называемое относительное удлинение (δ ) или относительное сужение (ψ ), они характеризуют пластичность металла. Площадь под кривой ОАВ пропорциональна работе, которую надо затратить, чтобы разрушить металл. Этот показатель, определяемый различными способами (главным образом путем удара по надрезанному образцу), характеризует вязкость металла.

При растяжении образца до разрушения фиксируются графически (рис. 3.2) зависимости между приложенным усилием и удлинением образца, в результате этого получают так называемые диаграммы деформации.

Рис. 3.2. Диаграмма «усилие (напряжение) – удлинение»

Деформация образца при нагружении сплава сначала является макроупругой, а затем постепенно и в разных зернах при неодинаковой нагрузке переходит в пластическую, происходящую путем сдвигов по дислокационному механизму. Накопление дислокаций в результате деформации ведет к упрочнению металла, но при значительной их плотности, особенно в отдельных участках, возникают очаги разрушения, приводящие, в конечном счете, к полному разрушению образца в целом.

Прочность при испытании на растяжение оценивают следующими характеристиками:

1) пределом прочности на разрыв;

2) пределом пропорциональности;

3) пределом текучести;

4) пределом упругости;

5) модулем упругости;

6) пределом текучести;

7) относительным удлинением;

8) относительным равномерным удлинением;

9) относительным сужением после разрыва.

Предел прочности на разрыв (предел прочности или временное сопротивление разрыву) σ в, – это напряжение, отвечающее наибольшей нагрузке Р В предшествующей разрушению образца:

σ в = Р в /F 0 ,

Эта характеристика является обязательной для металлов.

Предел пропорциональности (σ пц) – это условное напряжение Р пц, при котором начинается отклонение от пропорциональной зависимости мости между деформацией и нагрузкой. Он равен:

σ пц = Р пц /F 0 .

Значения σ пц измеряют в кгс/мм 2 или в МПа.

Предел текучести (σ т) – это напряжение (Р т) при котором обра­зец деформируется (течет) без заметного увеличения нагрузки. Вычисляется по формуле:

σ т = Р т /F 0 .

Предел упругости (σ 0,05) – напряжение, при котором остаточное удлинение достигает 0,05 % длины участка рабочей части образца, равного базе тензометра. Предел упругости σ 0,05 вычисляют по формуле:

σ 0,05 = Р 0,05 /F 0 .

Модуль упругости (Е ) – отношение приращения напряжения к соответствующему приращению удлинения в пределах упругой деформации. Он равен:

Е = Рl 0 / l ср F 0 ,

где ∆Р – приращение нагрузки; l 0 – начальная расчетная длина образца; l ср – среднее приращение удлинения; F 0 – начальная площадь поперечного сечения.

Предел текучести (условный ) – напряжение при котором остаточное удлинение достигает 0,2 % длины участка образца на его рабочей части, удлинение которого принимается в расчет при определении указанной характеристики.

Вычисляется по формуле:

σ 0,2 = Р 0,2 /F 0 .

Условный предел текучести определяют только при отсутствии на диаграмме растяжения площадки текучести.

Относительное удлинение (после разрыва ) – одна из характеристик пластичности материалов, равная отношению приращения расчетной длины образца после разрушения (l к ) к начальной расчетной длине (l 0 ) в процентах:

Относительное равномерное удлинение (δ р) – отношение приращения длины участков в рабочей части образца после разрыва к длине до испытания, выраженное в процентах.

Относительное сужение после разрыва (ψ ), как и относительное удлинение – характеристика пластичности материала. Определяется как отношение разности F 0 и минимальной (F к ) площади поперечного сечения образца после разрушения к начальной площади поперечного сечения (F 0 ), выраженное в процентах:

Упругость – свойство металлов восстанавливать свою прежнюю форму после снятия внешних сил, вызывающих деформацию. Упру­гость – свойство, обратное пластичности.

Очень часто для определения прочности пользуются простым, не разрушающим изделие (образец), упрощенным методом – измерением твердости.

Под твердостью материала понимается сопротивление проникновению в него постороннего тела, т.е., по сути дела, твердость тоже характеризует сопротивление деформации. Существует много методов определения твердости. Наиболее распространенным является метод Бринелля (рис. 3.3, а), когда в испытуемое тело под действием силы Р внедряется шарик диаметром D . Число твердости по Бринеллю (НВ) есть нагрузка (Р ), деленная на площадь сферической поверхности отпечатка (диаметром d ).

Рис. 3.3. Испытание на твердость:

а – по Бринеллю; б – по Роквеллу; в – по Виккерсу

При измерении твердости методом Виккерса (рис. 3.3, б) вдавливается алмазная пирамида. Измерив диагональ отпечатка (d ), судят о твердости (HV) материала.

При измерении твердости методом Роквелла (рис. 3.3, в) индентором служит алмазный конус (иногда маленький стальной шарик). Число твердости – это значение, обратное глубине вдавливания (h ). Имеются три шкалы: А, В, С (табл. 3.1).

Методы Бринелля и Роквелла по шкале B применяют для мягких материалов, а метод Роквелла по шкале C – для твердых, а метод Роквелла по шкале A и метод Виккерса – для тонких слоев (листов). Описанные методы измерения твердости характеризуют среднюю твердость сплава. Для того чтобы определить твердость отдельных структурных составляющих сплава, надо резко локализовать деформацию, вдавливать алмазную пирамиду на определенное место, найденное на шлифе при увеличении в 100 – 400 раз под очень небольшой нагрузкой (от 1 до 100 гс) с последующим измерением под микроскопом диагонали отпечатка. Полученная характеристика (Н ) называется микротвердостью , и характеризует твердость определенной структурной составляющей.

Таблица 3.1 Условия испытания при измерении твердости методом Роквелла

Условия испытания		Обозначение т вердости
Р = 150 кгс
При испытании алмазным конусом и нагрузке Р = 60 кгс
При вдавливании стального шарика и нагрузке Р = 100 кгс

Значение НВ измеряют в кгс/мм 2 (в этом случае единицы часто не указываются) или в СИ – в МПа (1 кгс/мм 2 = 10 МПа).

Вязкость – способность металлов оказывать сопротивление ударным нагрузкам. Вязкость – свойство, обратное хрупкости. Многие детали в процессе работы испытывают не только статиче­ские нагрузки, но подвергаются также ударным (динамическим) нагрузкам. Например, такие нагрузки испытывают колеса локомо­тивов и вагонов на стыках рельсов.

Основной вид динамических испытаний – ударное нагружение надрезанных образцов в условиях изгиба. Динамическое нагружение ударом осуществляется на маятниковых копрах (рис. 3.4), а также падающим грузом. При этом определяют работу, затраченную на деформацию и разрушение образца.

Обычно в этих испытаниях, определяют удельную работу, затраченную на деформацию и разрушение образца. Ее рассчитывают по формуле:

КС = K / S 0 ,

где КС – удельная работа; К – полная работа деформации и разрушения образца, Дж; S 0 – поперечное сечение образца в месте надреза, м 2 или см 2 .

Рис. 3.4. Испытания на ударную вязкость с помощью маятникового копра

Ширина образцов всех типов измеряется до испытаний. Высоту образцов с U- и V-образным надрезом измеряют до испытаний, а с Т-образным надрезом уже после испытаний. Соответственно удельная работа деформации разрушения обозначается KCU, KCV и КСТ.

Хрупкость металлов в условиях низких температур называют хладоломкостью . Значение ударной вязкости при этом существенно ниже, чем при комнатной температуре.

Ещё одной характеристикой механических свойств материалов является усталостная прочность . Некоторые детали (валы, шатуны, рес­соры, пружины, рельсы и т.п.) в процессе эксплуатации испытывают нагрузки, изменяющиеся по величине или одновременно по величи­не и направлению (знаку). Под действием таких знакопеременных (вибрационных) нагрузок металл как бы устает, прочность его понижается и деталь разрушается. Это явление называют усталостью металла, а образовавшиеся изломы – усталостными. Для таких деталей необходимо знать предел выносливости , т.е. величину наибольшего напряжения, которое металл может выдер­жать без разрушения при заданном числе перемен нагрузки (циклов) (N ).

Износостойкость – сопротивление металлов изнашиванию вслед­ствие процессов трения. Это важная характеристика, например, для контактных материалов и, в частности, для контактного провода и токосъемных элементов токоприемника электрифицированного транс­порта. Износ заключается в отрыве с трущейся поверхности отдель­ных ее частиц и определяется по изменению геометрических размеров или массы детали.

Усталостная прочность и износостойкость дают наиболее полное представление о долговечности деталей в конструкциях, а вязкость характеризует надежность этих деталей.