2.13.3. Механические свойства

Механические свойства характеризуют состояние сплавов при воздействии внешней нагрузки, которая создает в сплаве напряжения, равные отношению нагрузки к площади сечения испытуемого образца. К основным механическим свойствам относят прочность, пластичность, ударную вязкость, усталостную прочность, твердость и износостойкость.

Прочность- способность материала сопротивляться деформированию или разрушению под действием статических или динамических нагрузок. При статических нагрузках производят испытания на растяжение, сжатие, изгиб и кручение.

Рис. 2.55. Схемы определения механических свойств:

а - временного сопротивления и пластических характеристик; б - ударной вязкости, в - твердости (по Бринеллю)

Наиболее распространено испытание при одноосном растяжении, так как его результаты довольно легко анализируются и позволяют по одному опыту определить несколько характеристик материала, являющихся критерием его качества и необходимых для конструкторских расчётов. Испытание проводится в соответствии с ГОСТами на образцах разных размеров (рис. 2.55, а) при медленном нагружении на специальных машинах с автоматической записью результатов в виде диаграммы растяжения в координатах: нагрузкаР– деформация (удлинение) образцаΔl=l_к-l₀,,

где l₀,l_к– длина образца до и во время нагружения вплоть до разрыва.

Н

а б

в

Рис. 2.56. Условные диаграммы растяжения малоуглеродистой стали (а, б), высококачественной стали, чугуна и латуни (в).

а рис. 2.56,апоказана классическая условная диаграмма растяжения малоуглеродистой стали, на которой прямолинейный участок ОА характеризует упругие свойства материала, когда при снятии нагрузки удлинение образцаΔl=0, т. е. растянутый образец вновь приобретает длинуl₀. На участке ОА до наступления напряженияσ_пц=Р_пц/F₀, называемого пределом пропорциональности, деформации увеличиваются пропорционально напряжениям, и сохраняет силу закон Гукаσ=εЕ. ЗдесьF₀– первоначальная площадь сечения образца;Е– модуль упругости конкретного материала; ε – относительное удлинение ε=Δl/l₀. Это изображают в других координатах напряжениеσ– удлинениеε (рис. 2.56,б). Зависимость σ=f(ε)позволяет сравнивать результаты испытания образцов различных размеров из одинакового материала или из разных материалов на одинаковых образцах.

При дальнейшем нагружении удлинение образца происходит при постоянной нагрузке Р_Т, что обусловлено текучестью пластичного материала (участок текучести АВ). Предел текучести определяется какσ_т=Р_Т/F₀ (рис. 2.56,а, б). При этом на образце появляются косые линии Чернова-Людерса и матовый оттенок.

Если продолжать нагружение образца, то после стадии текучести наступает стадия упрочнения (кривая ВС), когда материал вновь сопротивляется возрастающим усилиям. При максимальной нагрузке Р_maxначинает образовываться местное сужение поперечного сечения – шейка. Поэтому сопротивление растяжению уменьшается и кривая СD диаграммы идёт вниз. Точка D соответствует разрушению образца при нагрузкеР_разр., которая меньшеР_max. Напряжение в образце при нагрузкеР_maxназывают временным сопротивлениемσ_в=Р_max/F₀или пределом прочности и используют в расчётах.

Особо отметим, что истинное напряжение при разрыве образца, определяемое как σ_ист=Р_разр./F_lна истинной диаграмме растяжения, может в 2 … 3 раза превышать предел прочностиσ_в (штриховая линия и точка D’на рис. 2.56,б). ЗдесьF_l – минимальная площадь в поперечном сечении шейки образца, которая меньше площадиF₀ .

Кроме того, ряд материалов при растяжении даёт диаграмму без выраженной площадки текучести, а на образце не заметно образование шейки. На рис. 2.56, вприведён пример таких диаграмм. Для этих материалов (дуралюмин, бронза, высокоуглеродистые и легированные стали и др.) вместо предела текучести σ_Т применяют условный предел текучестиσ_0,2 . Он определяется как величина напряжения, при котором остаточная деформация равнаε_0,2=0,002 (или 0,2%).

Способность материалов разрушаться при незначительных остаточных деформациях (до 2 … 5%) называется хрупкостью. К хрупким материалам относят чугун, высокоуглеродистую, инструментальную сталь, стекло- и углепластик и др.

Одновременно с прочностью при растяжении определяют пластичность- это способность металла получать остаточное изменение формы и размеров без разрушения. Пластичность обычно оценивают относительным удлинением образца:δ=(l_к-l_о)·100% / l_о, гдеl_о,l_к-длина образца до и после разрыва, мм.

Прочность при ударных нагрузкахопределяют путем разрушения образцов сечениемFударом массивного маятника весом Р и характеризуют ударной вязкостью КС – отношением затраченной на излом образца работы А к площади сечения образцаFв месте излома:КС=А/F, [Дж/м²]. Таким образом, ударная вязкость - это способность материала поглощать механическую энергию в процессе деформации и разрушения под действием ударной нагрузки (рис. 2.55, б).

Твердость - способность материала сопротивляться проникновению в него другого тела, например конуса, призмы или шарика. Наиболее распространён метод Бринелля, при котором число твёрдости НВ определяют из отношения приложенной нагрузки Р к поверхности отпечатка шарикаF_от:HB=P/F_OT [H/м²] (рис. 2.55, в)

Износостойкость - способность материала сопротивляться поверхностному разрушению под действием внешнего трения.