Механические свойства – способность металла сопротивляться воздействию внешних сил, нагрузок. Поэтому при выборе материала необходимо, прежде всего, учитывать его основные механические свойства. Эти свойства определяют по результатам механических испытаний, при которых материал подвергают воздействию внешних сил (нагрузок).
Нагрузка вызывает в твердом теле напряжение и деформацию. Напряжение – величина нагрузки, отнесенная к единице площади поперечного сечения испытываемого образца. Деформация – способность материала изменять свои формы и размеры под влиянием приложенных внешних сил (нагрузок). По направлению действия сил (нагрузок) возникают деформации растяжения, сжатия, изгиба, скручивания и среза. В практике, как правило, на деталь или изделие силы воздействуют не раздельно, а в комбинации друг с другом, в этом случае возникают сложные деформации.
Деформации могут быть: упругие и пластические.
Упругая деформация – после снятия нагрузки образец возвращается в свое первоначальное положение.
Пластическая деформация – после снятия нагрузки образец не возвращается в свое первоначальное положение.
Основными механическими свойствами являются:
1) Твердость. Твердость – способность металла сопротивляться внедрению в него другого более твердого тела;
2) Прочность. Прочность – способность металла сопротивляться разрушению;
3) Вязкость. Вязкость – способность металла сопротивляться удару или воздействию ударных динамических нагрузок;
4) Пластичность. Пластичность - способность металла сопротивляться деформации.
5) Усталость. Усталость – способность металла сопротивляться воздействию повторно-переменных напряжений. В процессе усталости происходит постепенное накопление повреждений материала под воздействием повторно-переменных напряжений, приводящий к образованию трещин и разрушению.
6) Выносливость. Выносливость – способность материала сопротивляться усталости. Предел выносливости – это максимальное напряжение, которое может выдержать металл без разрушения заданное число циклов нагружения. Предел выносливости определяется при изгибе и растяжении-сжатии.
Методы измерения твердости.
| Методы определения твердости | Обозначен. | Формула | Индентер или наконечник | Примечания | ||
| Т Твердость по Бринеллю (Бринелль) | HB | HB=P/F 0 | Ст. закал. шар. D: 2.5 | >6 3-6 <3 | P=KD 2 K=коэффиц. К=30 чер.Ме. К= 10цв. Ме. К=2,5антифрик ционных материалов | Р-нагрузка F 0 - площадь отпечатка шарика D-диаметр шарика |
| Твердость по Роквеллу (Роквелл) | HRB HRC HRA | Ме. шар D=1.58 алмаз. конус. с < при вер.120 0 | 100+900=1000Н 100+1400=1500Н 100+500=600Н | Р=Р 0 +Р 1 Р 0 =100Н-конст. Р – общая нагрузка Р 0 =100Н-конст Р 1 - дополнительная нагрузка | ||
| Твердость по Виккерсу (Виккерс) | HV | HV=1,85P/D 2 | Алмаз. пирам. с < при вер.136 0 | От 5 до 120 кгс. | Р-нагрузка D-среднее арифмети- ческое двух диагона- лей отпечатка алмаз- ной пирамиды | |
| Микротвердость | H 0 | H 0 =1,85P/D 2 | Алмаз.пирам. с < при вер.136 0 | От 5 до 500 гс. |
К основным механическим свойствам относят прочность, пластичность, твердость, ударную вязкость и упругость. Большинство показателей механических свойств определяют экспериментально растяжением стандартных образцов на испытательных машинах.
Прочность - способность металла сопротивляться разрушению при действии на него внешних сил.
Пластичность - способность металла необратимо изменять свою форму и размеры под действием внешних и внутренних сил без разрушения.
Твердость - способность металла сопротивляться внедрению в него более твердого тела. Твердость определяют с помощью твердомеров внедрением стального закаленного шарика в металл (на приборе Бринелля) или внедрением алмазной пирамиды в хорошо подготовленную поверхность образца (на приборе Роквелла). Чем меньше размер отпечатка, тем больше твердость испытуемого металла. Например, углеродистая сталь до закалки имеет твердость 100 . . . 150 НВ (по Бринеллю) , а после закалки - 500 . . . 600 НВ.
Ударная вязкость - способность металла сопротивляться действию ударных нагрузок. Эта величина, обозначаемая КС (Дж/см 2 или кгс м/см), определяется отношением механической работы А, затраченной на разрушение образца при ударном изгибе, к площади поперечного сечения образца.
Упругость - способность металла восстанавливать форму и объем после прекращения действий внешних сил. Эта величина характеризуется модулем упругости Е (МПа или кгс/мм 2), который равен отношению напряжения а к вызванной им упругой деформации . Высокой упругостью должны обладать стали и сплавы для изготовления рессор и пружин.
Под механическими свойствами понимают характеристики, определяющие поведение металла (или другого материала) под действием приложенных внешних механических сил. К механическим свойствам обычно относят сопротивление металла (сплава) деформации (прочность) и сопротивление разрушению (пластичность, вязкость, а также способность металла не разрушаться при наличии трещин).
В результате механических испытаний получают числовые значения механических свойств, т. е. значения напряжений или деформаций, при которых происходят изменения физического и механического состояний материала.
При оценке механических свойств металлических материалов различают несколько групп их критериев.
Критерии конструктивной прочности металлических материалов можно разделить на две группы:
Критерии оценки прочности конструкции в целом (конструкционной прочности), определяемые при стендовых, натурных и эксплуатационных испытаниях. При этих испытаниях выявляется влияние на прочность и долговечность конструкции таких факторов, как распределение и величина остаточных напряжений , дефектов технологии изготовления и конструирования металлоизделий и т. д.
Для решения практических задач металловедения необходимо определять как стандартные механические свойства, так и критерии конструктивной прочности.
Механические свойства характеризуют способность материалов сопротивляться действию внешних сил. К основным механическим свойствам относятся прочность, твердость, ударная вязкость, упругость, пластичность, хрупкость и др.
Прочность - это способность материала сопротивляться разрушающему воздействию внешних сил.
Твердость - это способность материала сопротивляться внедрению в него другого, более твердого тела под действием нагрузки.
Вязкостью называется свойство материала сопротивляться разрушению под действием динамических нагрузок.
Упругость - это свойство материалов восстанавливать свои размеры и форму после прекращения действия нагрузки.
Пластичностью называется способность материалов изменять свои размеры и форму под действием внешних сил, не разрушаясь при этом.
Хрупкость - это свойство материалов разрушаться под действием внешних сил без остаточных деформаций.
Твердость – это сопротивление материала проникновению в его поверхность стандартного тела (индентора), не деформирующегося при испытании.
Широкое распространение объясняется тем, что не требуются специальные образцы.
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).
Во всех случаях происходит пластическая деформация материала. Чем больше сопротивление материала пластической деформации, тем выше твердость.
Наибольшее распространение получили методы Бринелля, Роквелла, Виккерса и микротвердости. Схемы испытаний представлены на рис. 3.1.
Рис. 3.1. Схемы определения твердости: а – по Бринеллю; б – по Роквеллу; в – по Виккерсу
Твердость по Бринеллю (ГОСТ 9012)
Испытание проводят на твердомере Бринелля (рис.3.1 а)
В качестве индентора используется стальной закаленный шарик диаметром D 2,5; 5; 10 мм, в зависимости от толщины изделия.
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 – 10с, для латуни и бронзы – 30с.
Полученный отпечаток измеряется в двух направлениях при помощи лупы Бринелля.
Твердость определяется как отношение приложенной нагрузки Р к сферической поверхности отпечатка F:
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)
Основан на вдавливании в поверхность наконечника под определенной нагрузкой (рис. 3.1 б)
Индентор для мягких материалов (до НВ 230) – стальной шарик диаметром 1/16” ( 1,6 мм), для более твердых материалов – конус алмазный.
Нагружение осуществляется в два этапа. Сначала прикладывается предварительная нагрузка (10 ктс) для плотного соприкосновения наконечника с образцом. Затем прикладывается основная нагрузка Р 1 , в течение некоторого времени действует общая рабочая нагрузка Р. После снятия основной нагрузки определяют значение твердости по глубине остаточного вдавливания наконечника h под нагрузкой .
В зависимости от природы материала используют три шкалы твердости.
Шкалы для определения твердости по Роквеллу
Метод Виккерса
Твердость определяется по величине отпечатка (рис.3.1 в).
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. Диагональ отпечатка d измеряется при помощи микроскопа, установленного на приборе.
Преимущество данного способа в том, что можно измерять твердость любых материалов, тонкие изделия, поверхностные слои. Высокая точность и чувствительность метода.
Способ микротвердости – для определения твердости отдельных структурных составляющих и фаз сплава, очень тонких поверхностных слоев (сотые доли миллиметра).
Аналогичен способу Виккерса. Индентор – пирамида меньших размеров, нагрузки при вдавливании Р составляют 5…500 гс
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.
В результате проведения динамических испытаний на ударный изгиб специальных образцов с надрезом (ГОСТ 9454) оценивается вязкость материалов и устанавливается их склонность к переходу из вязкого состояния в хрупкое.
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).
Ударная вязкость определяется работой А, затраченной на разрушение образца, отнесенной к площади его поперечного сечения F; Дж/м 2:
Испытания проводятся ударом специального маятникового копра. Для испытания применяется стандартный надрезанный образец, устанавливаемый на опорах копра. Маятник определенной массы наносит удар по стороне противоположной надрезу.
Технологические свойства определяют способность материалов подвергаться различным видом обработки. Литейные свойства характеризуются способностью металлов и сплавов в расплавленном состоянии хорошо заполнять полость литейной формы и точно воспроизводить ее очертания (жидкотекучестью), величиной уменьшения объема при затвердевании (усадкой), склонностью к образованию трещин и пор, склонностью к поглощению газов в расплавленном состоянии.
Ковкость - это способность металлов и сплавов подвергаться различным видам обработки давлением без разрушения.
Свариваемость определяется способностью материалов образовывать прочные сварные соединения.
Обрабатываемость резанием определяется способностью материалов поддаваться обработке режущим инструментом.
Критерии выбора материала
Свойства
– это количественная или качественная характеристика материала, определяющая его общность или различие с другими материалами.
Выделяют три основные группы свойств: эксплуатационные, технологические и стоимостные, которые лежат в основе выбора материала и определяют техническую и экономическую целесообразность его применения. Первостепенное значение имеют эксплуатационные свойства.
Эксплуатационными
называют свойства материала, которые определяют работоспособность деталей машин, приборов и инструментов, их силовые, скоростные, стоимостные и другие технико-эксплуатационные показатели.
Работоспособность подавляющего большинства деталей машин и изделий обеспечивает уровень механических свойств, которые характеризуют поведение материала под действием внешней нагрузки. Так как условия нагружения деталей машин разнообразны, то механические свойства включают большую группу показателей.
В зависимости от изменения во времени нагрузки подразделяют на статические и динамические. Статическое нагружение характеризуется малой скоростью изменения своей величины, а динамические нагрузки изменяются во времени с большими скоростями, например, при ударном нагружении. Кроме того, нагрузки подразделяют на растягивающие, сжимающие, изгибающие, скручивающие и срезывающие. Изменение нагрузки может иметь периодически повторяющийся характер, вследствие чего их называют повторно- переменными или циклическими. В условиях эксплуатации машин воздействие перечисленных нагрузок может проявляться в различных сочетаниях.
Под воздействием внешних нагрузок, а также структурно-фазовых превращений в материале конструкций возникают внутренние силы, которые могут быть выражены через внешние нагрузки. Внутренние силы, приходящиеся на единицу площади поперечного сечения тела, называют напряжениями
. Введение понятия напряжений позволяет проводить расчеты на прочность конструкций и их элементов.
В простейшем случае осевого растяжения цилиндрического стержня напряжение σ
опеределяют как отношение растягивающее силы Р к начальной площади поперечного сечения Fo
, т.е.
σ = P/Fo
Действие внешних сил приводит к деформации тела, т.е. к изменению его размером и формы. Деформация, исчезающая после разгрузки, называется упругой, а остающаяся в теле – пластической (остаточной).
Работоспособность отдельной группы деталей машин зависит не только от механических свойств, но и от сопротивления воздействию химически активной рабочей среды, если такое воздействие становится значительным, то определяющим становятся физико-химические свойства материала – жаростойкость и коррозионная стойкость.
Жаростойкость
характеризует способность материала противостоять химической коррозии в атмосфере сухих газов при высокой температуре. У металлов нагрев сопровождается образованием на поверхности оксидного слоя (окалины).
Коррозионная стойкость
– это способность металла противостоять электрохимический коррозии, которая развивается при наличие жидкой среды на поверхности металла и ее электрохимической неоднородности.
Для некоторых деталей машин, важные значение имеют физические свойства, характеризующие поведение материалов в магнитных, электрических и тепловых полях, а также под воздействием потоков высокой энергии или радиации. Их принято подразделять на магнитные, электрические, теплофизические и радиационные.
Способность материала подвергаться различным методам горячей и холодной обработки определяют по технологическим свойствам
. К ним относят литейные свойства, деформируемость, свариваемость и обрабатываемость режущим инструментом. Технологические свойства позволяют производить формоизменяющую обработку и получать заготовки и детали машин.
К последней группе основных свойств относится стоимость материала, которая оценивает экономичность его использования. Ее количественным показателем является – оптовая цена – стоимость единицы массы материалы в виде слитков, профилей, порошка, штучных и сварных заготовок, по которым завод-изготовитель реализует свою продукцию машиностроительным и приборостроительным предприятиям.
Механические свойства, определяемые при статических нагрузках
Механические свойства характеризуют сопротивление материала деформации, разрушению или особенность его поведения в процессе разрушения. Эта группа свойств включает показатели прочности, жесткости (упругости), пластичности, твердости и вязкости. Основную группу таких показателей составляют стандартные характеристики механических свойств, которые определяют в лабораторных условиях на образцах стандартных размеров. Полученные при таких испытаниях показатели механических свойств оценивают поведение материалов под внешней нагрузкой без учета конструкции детали и условий эксплуатации.
По способу приложения нагрузок различают статические испытания на растяжение, сжатие, изгиб, кручение, сдвиг или срез. Наиболее распространены испытания на растяжения (ГОСТ 1497-84), которые дают возможность определить несколько важных показателей механических свойств.
Испытание на растяжение . При растяжении стандартных образцов с площадью поперечного сечения Fo и рабочей (расчетной) длиной lo строят диаграмму растяжения в координатах: нагрузка – удлинение образца (рис.1). На диаграмме выделяют три участка: упругой деформации до нагрузки Рупр .; равномерной пластической деформации от Рупр. до Рmax и сосредоточенной пластической деформации от Рmax до Рк . Прямолинейной участок сохраняется до нагрузки, соответствующей пределу пропорциональности Рпц. Тангенс угла наклона прямолинейного участка характеризует модуль упругости первого рода Е.
Рис. 1.
Диаграмма растяжения пластичного металла (а) и диаграммы
условных напряжений пластичного (б) и хрупкого (в) металлов.
Диаграмма истинных напряжений (штриховая линия) дана для сравнения.
Пластическая деформация выше Р упр. идет при возрастающей нагрузке, так как металл в процессе деформирования упрочняется. Упрочнение материала при деформации называется наклепом.
Наклеп металла увеличивается до момента разрыва образца, хотя растягивающая нагрузка при этом уменьшается от Р
max
до Р к (рис.1, а). Это объясняется появлением в образце местного утонения-шейки, в котором в основном сосредотачивается пластическая деформация. Несмотря на уменьшение нагрузки, растягивающие напряжения в шейке повышается до тех пор, пока образец не разрушится.
При растяжении образец удлиняется, а его поперечное сечение непрерывно уменьшается. Истинное напряжение определяются делением действующей в определенный момент нагрузки на площадь, которую образец имеет в этот момент (рис.1,б). Эти напряжения в повседневной практике не определяют, а пользуются условиями напряжениями, считая, что поперечное сечение F
o
образца остается неизменным.
Напряжения σ упр., σ т, σ в - стандартные характеристики прочности. Каждая получается делением соответствующей нагрузки Р упр. Р т и Р max на начальную площадь поперечного сечения F о .
Пределом упругости σ упр. называют напряжение, при котором пластическая деформация достигает значений 0,005; 0,02 и 0,05%. Соответствующие пределы упругости обозначают σ 0,005, σ 0,02, σ 0,05 .
Условный предел текучести – это напряжение, которому соответствует пластическая деформация равная 0,2%; его обозначают σ 0,2 . Физический предел текучести σ т определяют по диаграмме растяжения, когда на ней имеется площадка текучести. Однако, при испытаниях на растяжение у большинства сплавов нет площадки текучести на диаграммах. Выбранная пластическая деформация 0,2% достаточно точно характеризует переход от упругих деформаций к пластическим.
Временное сопротивление характеризует максимальную несущую способность материала, его прочность, предшествующую разрушению:
σ в = Р max / F o
Пластичность характеризуется относительным удлинением δ и относительным сужением ψ:
где lk
-конечная длина образца; lо
и Fo
– начальная длина и площадь поперечного сечения образца; Fк
– площадь поперечного сечения в месте разрыва.
Для малопластичных материалов испытания на растяжение (рис. 1,в) вызывают значительные затруднения. Такие материалы, как правило, подвергают испытаниям на изгиб.
Испытание на изгиб . При испытании на изгиб в образце возникают как растягивающие, так и сжимающие напряжения. На изгиб испытывают чугуны, инструментальные стали, стали после поверхностного упрочнения и керамику. Определяемыми характеристиками служат предел прочности и стрела прогиба.
Предел прочности при изгибе вычисляют по формуле:
σ и = M / W,
где М – наибольший изгибающий момент; W – момент сопротивления сечения, для образа круглого сечения
W = πd 3 / 32
(где d – диаметр образца), а для образцов прямоугольного сечения W = bh 2
/6 , где b, h – ширина и высота образца).
Испытания на твердость
. Под твердостью понимается способность материала сопротивляться внедрению в его поверхность твердого тела – индентора. В качестве индентора используют закаленный стальной шарик или алмазный наконечник в виде конуса или пирамиды. При вдавливании поверхностные слои материала испытывают значительную пластическую деформацию. После снятия нагрузки на поверхности остается отпечаток. Особенность происходящей пластической деформации состоит в том, что вблизи наконечника возникает сложное напряженное состояние, близкое к всестороннему неравномерному сжатию. По этой причине пластическую деформацию испытывают не только пластические, но и хрупкие материалы.
Таким образом, твердость характеризует сопротивление материала пластической деформации. Такое же сопротивление оценивает и временное сопротивление, при определении которого возникает сосредоточенная деформация в области шейки. Поэтому для целого ряда материалов численные значения твердости и временного сопротивления пропорциональны. На практике широко применяют четыре метода измерения твердости: твердость по Бринеллю, твердость по Виккерсу, твердость по Роквеллу и микротвердость.
При определении твердости по Бринеллю (ГОСТ 9012-59) в поверхность образца вдавливают закаленный шарик диаметром 10; 5 или 2,5 мм при действии нагрузки от 5000Н до 30000Н. После снятия нагрузки на поверхности образуется отпечаток в виде сферической лунки диаметром d.
При измерении твердости по Бринеллю используют заранее составленные таблицы, указывающие число твердости НВ В зависимости от диаметра отпечатка и выбранной нагрузки, чем меньше диаметр отпечатка, тем выше твердость.
Способ измерения по Бринеллю используют для сталей с твердостью <
450 НВ, цветных металлов с твердостью <
200 НВ. Для них установлена корреляционная связь между временным сопротивлением (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
»
3,5 НВ – для алюминиевых сплавов.
При стандартном методе измерения по Виккерсу (ГОСТ 2999-75) в поверхность образца вдавливают четырехгранную алмазную пирамиду с углом при вершине 139°. Отпечаток получается в виде квадрата, диагональ которого измеряют после снятия нагрузки. Число твердости НV определяют с помощью специальных таблиц по значению диагонали отпечатка при выбранной нагрузке.
Метод Виккерса применяют главным образом для материалов, имеющих высокую твердость, а также для испытания на твердость деталей малых сечений или тонких поверхностных слоев. Как правило, используют небольшие нагрузки: 10,30,50,100,200,500 Н. Чем тоньше сечение детали или исследуемый слой, тем меньше выбирают нагрузку.
Число твердости по Виккерсу и по Бринеллю для материалов, имеющих твердость до 450 НВ, практически совпадают.
Измерение твердости по Роквеллу (ГОСТ 9013-59) наиболее универсален и наименее трудоемок. Число твердости зависит от глубины вдавливания наконечника, в качестве которого используют алмазный конус с углом при вершине 120 0 или стальной шарик диаметром 1,588 мм. Для различных комбинаций нагрузок и наконечников прибор Роквелла имеет три измерительных шкалы: А.В.С. Твердость по Роквеллу обозначают цифрами, определяющими уровень твердости, и буквами HR с указанием шкалы твердости, например: 70HRA, 58HRC, 50HRB. Числа твердости по Роквеллу не имеют точных соотношений с числами твердости по Бринеллю и Виккерсу.
Шкала А (наконечник – алмазный конус, общая нагрузка 600Н). Эту шкалу применяют для особо твердых материалов, для тонких листовых материалов или тонких (0,6-1,0 мм) слоев. Пределы измерения твердости по этой шкале 70-85.
Шкала В (наконечник – стальной шарик, общая нагрузка 1000Н). При этой шкале определяют твердость сравнительно мягких материалов (<400НВ). Пределы измерения твердости 25-100.
Шкала С (наконечник – алмазный конус, общая нагрузка 1500Н). Эту шкалу используют для твердых материалов (> 450НВ), например закаленных сталей. Пределы измерения твердости по этой шкале 20-67. Определение микротвердости (ГОСТ 9450-76) осуществляют вдавливанием в поверхность образца алмазной пирамиды при небольших нагрузках (0,05-5Н) с последующим измерением диагонали отпечатка. Этим методом оценивают твердость отдельных зерен, структурных составляющих, тонких слоев или тонких деталей.
Механические свойства, определяемые при динамических нагрузках
При работе деталей машин возможны динамические нагрузки, при которых многие металлы проявляют склонность к хрупкому разрушению. Опасность разрушения усиливают надрезы – концентраторы напряжения. Для оценки склонности металла к хрупкому разрушению под влиянием этих факторов проводят динамические испытания на ударный изгиб на маятниковых копрах (рис. 2). Стандартный образец устанавливают на две споры и посредине наносят удар, приводящий к разрушению образца. По шкале маятникова копра определяют работу К , затраченную на разрушение, и рассчитывают основную характеристику, получаемую в результате этих испытаний – ударную вязкость:
КС = К / S 0 1 , [МДж/м 2 ],
где S 0 1 , площадь поперечного сечения образца в месте надреза.
Рис. 2.
Схема маятникова копра (а) и испытание на удар (б):
1 – образец; 2 – маятник; 3 – шкала; 4 – стрелка шкалы; 5- тормоз.
В соответствии с ГОСТ 9454-78 предусмотрены испытания образцов трех видов: U-образным (радиус надреза r=1 мм); V-образным (r=0,25 мм) и Т-образным (трещина усталости, созданная в основании надреза. Соответственно ударную вязкость обозначает: КСU, KCV, KCT. Ударная вязкость из всех характеристик механических свойств наиболее чувствительна к снижению температуры. Поэтому испытания на ударную вязкость при пониженных температурах используют для определения порога хладноломкости – температуры или интервала температур, в котором происходит снижение ударной вязкости. Хладноломкость - способность металлического материала терять вязкость, хрупко разрушаться при понижении температуры. Хладноломкость проявляется у железа, стали, металлов и сплавов, имеющих объемно-центрированную кубическую (ОЦК) или гексагональную плотноупакованную (ГП) решетку. Она отсутствует у металлов с гранецентрированной кубической (ГЦК) решеткой.
Механические свойства, определяемые при переменных циклических нагрузках
Многие детали машин (валы, шатуны, зубчатые колеса) испытывают во время работы повторяющиеся циклические нагружения. Процессы постепенного накопления повреждений в материале под действием циклических нагрузок, приводящие к изменению его свойств, образованию трещин, их развитию и разрушению, называют усталостью, а свойство противостоять усталости – выносливостью (ГОСТ 23207-78). О способности материалы работать в условиях циклического нагружения судят по результатам испытаний образцов на усталость (ГОСТ 25.502-79). Их проводят на специальных машинах, создающих в образцах многократное нагружение (растяжение – сжатие, изгиб, кручение). Образцы испытывают последовательно на разных уровнях напряжений, определяя число циклов до разрушения. Результаты испытаний изображают в виде кривой усталости, которая строится в координатах: максимальное напряжение цикла σ max / или σ в ) – число циклов. Кривые усталости позволяют определять следующие критерии выносливости:
- циклическую прочность , которая характеризует несущую способность материала, т.е. то наибольшее напряжение, которое он способен выдержать за определенное время работы.- циклическую долговечность – число циклов (или эксплуатационных часов), которые выдерживает материал до образования усталостной трещины определенной протяженности или до усталостного разрушения при заданном напряжении.
Кроме определения рассмотренных критериев многоцикловой выносливости, для некоторых специальных случаев применяют испытания на малоцикловую усталость . Их проводят при высоких напряжениях (выше σ 0,2 ) и малой частоте нагружения (обычно не более 6 ГЦ). Эти испытания имитируют условия работы конструкций (например, самолетных), которые воспринимают редкие, но значительные циклические нагрузки.
f = f - f ноом [ Гц ]
f = ± 0,1 Гц - допускаемое значение
f = ± 0,2 Гц - предельно допускаемое значение
f = ± 0,4 Гц - аварийно допускаемое значение
Изменение нагрузки потребителей в сети может быть различным. При малом изменении нагрузки требуется небольшой резерв мощности. В этих случаях автоматическое регулирование частоты одной так называемой частотно-регулируемой станцией.
При больших изменениях нагрузки, автоматическое регулирование частоты должно быть предусмотрено на значительном числе станций. Для этого составляются графики изменения нагрузок электростанций.
При отключении мощных линий электропередач в послеаварийных режимах, система может оказаться разделенной на отдельно не синхронно работающие части.
На электростанциях, на которых мощности может оказаться не достаточно, произойдет снижение производительности оборудования собственных нужд (питательных и циркуляционных насосов), следовательно вызовет значительное снижение мощности станции, вплоть до выхода ее из строя.
В подобных случаях для предотвращения аварий предусматриваются устройства АЧР, отключающие в таких случаях часть менее ответственных потребителей, а после включения резервных источников питания, устройства ЧАПВ включают отключенных потребителей.
Механические свойства характеризуют способность материала сопротивляться деформации (упругой и пластической) и разрушению. Для металлов и сплавов, работающих как конструкционные материалы, эти свойства являются определяющими. Выявляют их испытаниями при воздействии внешних нагрузок.
Количественные характеристики механических свойств: упругость, пластичность, прочность, твердость, вязкость, усталость, трещиностойкость, хладостойкость, жаропрочность. Эти характеристики необходимы для выбора материалов и режимов их технологической обработки, расчетов на прочность деталей и конструкций, контроля и диагностики их прочностного состояния в процессе эксплуатации.
Под действием внешней нагрузки в твердом теле возникают напряжение и деформация.
отнесенная к первоначальной площади поперечного сечения F 0 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 (исходные размеры образца восстанавливаются после снятия нагрузки) и пластическая (сохраняется после снятия нагрузки).
Напряжение s измеряют в паскалях (Па), деформацию e - в процентах (%) относительного удлинения (Dl /l )×100 или сужения площади сечения (DS /S )×100.
При все возрастающей нагрузке упругая деформация, как правило, переходит в пластическую, и далее образец разрушается (рис.1). 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.
Прочность при испытании на растяжение оценивают следующими характеристиками (рис.1).
Предел прочности на разрыв (предел прочности или временное сопротивление разрыву) s в - это напряжение, отвечающее наибольшей нагрузке Р max , предшествующей разрушению образца:
Эта характеристика является обязательной для металлов.
Предел пропорциональности s пц - это условное напряжение Р пц , при котором начинается отклонение от пропорциональной зависимости между деформацией и нагрузкой:
Предел текучести s т - это наименьшее напряжение Р т , при котором образец деформируется (течет) без заметного увеличения нагрузки:
Условный предел текучести s 0,2 - напряжение, после снятия которого остаточная деформация достигает величины 0,2 %.
Если же на кривой напряжение - деформация за пределом упругости образуется площадка текучести (рис.1), то за предел текучести s т принимают напряжение, отвечающее площадке текучести.
Если после того, как напряжение превысило s т, его снять, то деформация уменьшится по пунктирной линии. Отрезок ОО ¢ показывает остаточную пластическую деформацию.
Величина s т чрезвычайно чувствительна к скорости деформации (продолжительности действия нагрузки) и к температуре. Если прикладывать к материалу напряжение меньше s т в течение длительного времени, то оно может вызвать пластическую (остаточную) деформацию. Это медленное и непрерывное пластическое деформирование воздействием постоянной нагрузки называют ползучестью (криппом ).
Пластичность - свойство металлов деформироваться без разрушения под действием внешних сил и сохранять измененную форму после снятия этих сил. Пластичность - одно из важных механических свойств металла, которое в сочетании с высокой прочностью делает его основным конструкционным материалом. Ее характеристиками являются относительное удлинение перед разрывом d и относительное сужение перед разрывом y. Эти характеристики определяют при испытании металлов на растяжение, а их численные значения вычисляют по формулам (в процентах):
где l 0 и l р - длина образца до и после разрушения соответственно;
F 0 и F р - площадь поперечного сечения образца до и после разрушения.
Упругость - свойство металлов восстанавливать свою прежнюю форму после снятия внешних сил, вызывающих деформацию. Упругость - свойство, обратное пластичности.
Твердость - способность металлов оказывать сопротивление проникновению в них более твердого тела. Испытания на твердость - самый доступный и распространенный вид механических испытаний. Наибольшее применение в технике получили статические методы испытания на твердость при вдавливании индентора: метод Бринелля , метод Виккерса и метод Роквелла . Твердость, согласно этим методам, определяют следующим образом.
По Бринеллю - в испытуемый образец с определенной силой вдавливается закаленный стальной шарик диаметром D под действием нагрузки P , и после снятия нагрузки измеряется диаметр отпечатка d (рис.2,а ). Число твердости по Бринеллю - НВ, характеризуется отношением нагрузки P, действующей на шарик, к площади поверхности сферического отпечатка M :
Чем меньше диаметр отпечатка d , тем больше твердость образца. Диаметр шарика D и нагрузку P выбирают в зависимости от материала и толщины образца. Метод Бринелля не рекомендуется применять для материалов с твердостью более 450 HB, так как стальной шарик может заметно деформироваться, что внесет погрешность в результаты испытаний.
Виккерса в поверхность материала вдавливается алмазная четырехгранная пирамида с углом при вершине a = 136° (рис.2,б ). После снятия нагрузки вдавливания измеряется диагональ отпечатка d 1 . Число твердости по Виккерсу HV подсчитывается как отношение нагрузки Р к площади поверхности пирамидального отпечатка М:
Число твердости по Виккерсу обозначается символом HV с указанием нагрузки Р и времени выдержки под нагрузкой, причем размерность числа твердости (кгс/мм 2) не ставится. Продолжительность выдержки индентора под нагрузкой принимают для сталей 10-15 с, а для цветных металлов - 30 с. Например, 450 HV 10/15 означает, что число твердости по Виккерсу 450 получено при Р = 10 кгс (98,1 Н), приложенной к алмазной пирамиде в течение 15 с.
Преимущество метода Виккерса по сравнению с методом Бринелля заключается в том, что методом Виккерса можно испытывать материалы более высокой твердости из-за применения алмазной пирамиды.
При испытании на твердость по методу Роквелла в поверхность материала вдавливается алмазный конус с углом при вершине 120° или стальной шарик диаметром 1,588 мм. Однако, согласно этому методу, за условную меру твердости принимается глубина отпечатка. Схема испытания по методу Роквелла показана на рис.2,в. Вначале прикладывается предварительная нагрузка Р 0 ,под действием которой индентор вдавливается на глубину h 0 . Затем прикладывается основная нагрузка Р 1 , под действием которой индентор вдавливается на глубину h 1 . После этого снимают нагрузку Р 1 ,но оставляют предварительную нагрузку Р 0 .
При этом под действием упругой деформации индентор поднимается вверх, но не достигает уровня h 0 . Разность (h - h 0) зависит от твердости материала; чем тверже материал, тем меньше эта разность. Глубина отпечатка измеряется индикатором часового типа с ценой деления 0,002 мм. При испытании мягких металлов методом Роквелла в качестве индентора применяется стальной шарик. Последовательность операций такая же, как и при испытании алмазным конусом. Число твердости, определенное методом Роквелла , обозначается символом HR. Однако в зависимости от формы индентора и значений нагрузок вдавливания к этому символу добавляется буква А, С, или В, обозначающая соответствующую шкалу измерений.
Числа твердости по Роквеллу определяют в условных единицах по формулам:
где 100 и 130 - предельно заданное число делений индикатора часового типа с ценой деления 0,002 мм.
Трещиностойкость - свойство материалов сопротивляться развитию трещин при механических и других воздействиях.
Трещины в материалах могут быть металлургического и технологического происхождения, а также возникать и развиваться в процессе эксплуатации. В случае возможности хрупкого разрушения для безопасной работы элементов конструкций необходимо количественно оценивать размеры допустимых трещиноподобных дефектов.
Количественной характеристикой трещиностойкости материала является критический коэффициент интенсивности напряжений в условиях плоской деформации в вершине трещины K I с.
Многие конструкции при эксплуатации испытывают ударные нагрузки. Для решения вопроса об их долговечности и надежности в этих условиях очень важными являются результаты динамических испытаний (нагрузка прилагается ударом с большой силой).
Переход от статических нагружений к динамическим вызывает изменение всех свойств металлов и сплавов, связанных с пластической деформацией.
Для оценки склонности материала к хрупкому разрушению применяют испытания на ударный изгиб образцов с надрезом, в результате которых определяют ударную вязкость.
Ударная вязкость - работа, затраченная при динамическом разрушении надрезанного образца, отнесенная к площади поперечного сечения в месте надреза.
Вязкость - свойство, обратное хрупкости. Ударная вязкость ответственных деталей должна быть высокой.
Кроме числовых значений, получаемых при испытании на удар, важным критерием является характер излома. Волокнистый матовый излом без характерного металлического блеска свидетельствует о вязком разрушении. Хрупкое разрушение дает кристаллический блестящий излом.
Ударная вязкость зависит от многих факторов. Наличие в изделиях резких переходов в сечении, надрезов, вырезов и т. п. вызывает неравномерное распределение напряжений по сечению и их концентрацию. Ударная вязкость зависит также и от состояния поверхности образца. Риски, царапины, следы механической обработки и другие дефекты снижают ударную вязкость.
Динамическое нагружение вызывает повышение предела упругости и предела текучести, не переводя материал в хрупкое состояние. Но при понижении температуры, сопротивление удару резко уменьшается. Это явление называется хладоломкостью .
К хладоломким металлам относятся металлы с объемноцентрированной кубической решеткой (например, a-Fe, Mo, Cr). Для этой группы металлов при определенной минусовой температуре наблюдается резкое снижение ударной вязкости. К нехладоломким металлам можно отнести металлы с гранецентрированной кубической решеткой (g-Fe, Al, Ni и др.). Хладоломкость у крупнозернистого материала наступает при более высокой температуре, чем у мелкозернистого.
Характер падения ударной вязкости напоминает порог, что привело к выражению «порог хладоломкости».
Температура, при которой происходит определенное падение ударной вязкости, называется критической температурой хрупкости T кр.
Большинство разрушений деталей и конструкций при эксплуатации происходит в результате циклического нагружения. Причем в ряде случаев разрушение происходит при напряжениях, лежащих ниже предела упругости.
Усталость - процесс постепенного накопления повреждений в материале при действии циклических нагрузок, приводящий к образованию трещин и разрушению.
Термин «усталость» часто заменяют термином «выносливость», который показывает сколько перемен нагрузок может выдержать металл или сплав без разрушения. Сопротивление усталости характеризуется пределом выносливости s -1 . Число циклов условно принято для сталей равным 10 7 , для цветных металлов - 10 -8 .
Явление усталости наблюдается при изгибе, кручении, растяжении-сжатии и при других способах нагружения.
Большое влияние на выносливость оказывают микроскопическая неоднородность, неметаллические включения, газовые пузыри, химические соединения, а также надрезы, риски, царапины, наличие обезуглероженного слоя и следов коррозии на поверхности изделий, которые приводят к неравномерному распределению напряжений и снижают сопротивление материала повторно-переменным нагрузкам.
Износостойкость - сопротивление металлов изнашиванию вследствие процессов трения. 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 ударная вязкость и трещиностойкость характеризует надежность этих деталей.
Жаропрочность - способность металлов и сплавов длительно сопротивляться началу и развитию пластической деформации и разрушению под действием постоянных нагрузок при высоких температурах. Предел кратковременной прочности, предел ползучести и предел длительной прочности - численные характеристики жаропрочности.
