Свидунович_Материаловедение_для ХТОМ

электрических и тепловых полях, а также под воздействием потоков высокой энергии или радиации. Их принято подразделять на магнитные, электрические, теплофизические и радиационные.

Среди технологических свойств главное место занимает технологичность материала — его пригодность для изготовления деталей машин, приборов и инструментов требуемого качества при минимальных трудовых затратах. Она оценивается обрабатываемостью резанием, давлением, свариваемостью, способностью к литью, а также прокаливаемостью, склонностью к деформации и короблению при термической обработке. Технологичность материала имеет важное значение, так как от нее зависят производительность и качество изготовления деталей.

Наконец, к последней группе основных свойств относится стоимость материала, которая оценивает экономичность его использования. Ее количественным показателем является оптовая цена — стоимость единицы массы материала в виде заготовок, проката, слитков, порошка, по которой завод-изготовитель реализует свою продукцию машиностроительным предприятиям.

МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА МАТЕРИАЛОВ

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 их эксплуатации. Кроме того, дополнительно определяют показатели конструкционной прочности, которые находятся в наибольшей корреляции со служебными свойствами конкретного изделия и оценивают работоспособность материала в условиях эксплуатации (показатели конструкционной прочности будут рассмотрены в гл. 9).

МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА, ОПРЕДЕЛЯЕМЫЕ ПРИ СТАТИЧЕСКИХ НАГРУЗКАХ

Статические испытания предусматривают медленное и плавное нарастание нагрузки, прилагаемой к испытываемому образцу. По способу приложения нагрузок различают статические испытания на растяжение, сжатие, изгиб, кручение, сдвиг или срез. Наиболее распространены испытания на растяжение (ГОСТ 1497-84), которые дают возможность определить несколько важных показателей механических свойств.

Испытания на растяжение При растяжении стандартных образцов с площадью поперечного се-

чения FQ И рабочей (расчетной) длиной L0 строят диаграмму растяжения в

координатах нагрузка — удлинение образца (рис. 2.1). На диаграмме выделяют три участка: упругой деформации до нагрузки Pyпр равномерной пластической деформации от Рупр до Ртах и сосредоточенной пластической деформации от Ртах до Рк. Прямолинейный участок сохраняется до нагрузки, соответствующей пределу пропорциональности Рпц. Тангенс угла наклона прямолинейного участка характеризует модуль упругости первого рода Е.

На небольшом участке от Рпц до Рупр нарушается линейная зависимость между Р и l из-за упругих несовершенств материала, связанных с дефектами решетки.

Пластическое деформирование выше Рупр идет при возрастающей нагрузке, так как металл в процессе деформирования упрочняется. Упрочнение металла при деформировании называется наклепом.

Наклеп металла увеличивается до момента разрыва образца, хотя растягивающая нагрузка при этом уменьшается от Ртах до Рк (см. рис. 2.1, а). Это объясняется появлением в образце местного утонения — шейки, в которой в основном сосредотачивается пластическая деформация. Несмотря на уменьшение нагрузки, растягивающие напряжения в шейке повышаются до тех пор, пока образец не разорвется. Об этом свидетельствует диаграмма истинное напряжение — деформация (рис. 2.1, 6).

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 F0 образца остается неизменным. Напряжения σупр, σт и σв — стандартные характеристики прочности. Каждая получается делением соответствующей нагрузки Рупр, Рт и Ртах на начальную площадь поперечного сечения FQ .

Пределом упругости (σупр называют напряжение, при котором пластическая деформация достигает заданного значения, установленного услови-

ями. Обычно используют значения остаточной деформации 0,005; 0,02 и 0,05%. Соответствующие пределы упругости обозначают σ0.005,σ0 , 0 2 ,σ0 , 0 5 .

Предел упругости — важная характеристика пружинных материалов, которые используют для упругих элементов приборов и машин.

Условный предел текучести — это напряжение, которому соответствует пластическая деформация 0,2%; его обозначают σ0,2. Физический предел текучести σт определяют по диаграмме растяжения, когда на ней имеется площадка текучести. Однако при испытаниях на растяжение большинства сплавов площадки текучести на диаграммах нет. Выбранная пластическая деформация 0,2 % достаточно точно характеризует переход от упругих деформаций к пластическим, а напряжение σ0,2 несложно определить при испытаниях независимо от того, имеется или нет площадка текучести на диаграмме растяжения.

Временное сопротивление характеризует максимальную несущую способность материала, его прочность, предшествующую разрушению,

σв = Pmах/FQ.

Пластичность характеризуется относительным удлинением δ и относительным сужением ψ:

δ = [(lк - l0)/l0] 100%; ψ = [(F0 - FK)/F0]100%,

где lк — конечная длина образца; lо и FQ — начальные длина и площадь поперечного сечения образца; FK — площадь поперечного сечения в месте разрыва.

Допустимое напряжение, которое используют в расчетах, выбирают

меньше σ0,2 (обычно в 1,5 раза) или меньше σв (в 2,4 раза).

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

Испытания на изгиб При испытании на изгиб в образце возникают как растягивающие, так и

сжимающие напряжения. По этой причине изгиб — более мягкий способ нагружения, чем растяжение. На изгиб испытывают малопластичные материалы: чугуны, инструментальные стали, стали после поверхностного упрочнения, керамику. Испытания проводят на образцах большой длины (l : h ≥ 10) цилиндрической или прямоугольной формы, которые устанавливают на две опоры (рис. 2.2). Используют две схемы нагружения: сосредоточенной силой (этот способ применяют чаще) и двумя симметричными силами (испытания на чистый изгиб). Определяемыми характеристиками служат предел прочности и стрела прогиба.

Предел прочности при изгибе вычисляют по формуле

σв= M/W,

где М — наибольший изгибающий момент; W — момент сопротивления сечения, для образцов круглого сечения W = πd2/32 (где d — диаметр образца), а для образцов прямоугольного сечения W = bh2/6 (где b, h

— ширина и высота образца).

Для пластичных материалов испытания на изгиб не применяют, так как образцы изгибаются без разрушения до соприкосновения обоих концов.

вычисление числа твердости по Виккерсу. Методом определения микротвердости 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 напряжений. Для оценки склонности металла к хрупкому разрушению под влиянием этих факторов проводят динамические испытания на ударный изгиб на маятниковых копрах (рис. 2.4).

Стандартный образец устанавливают на две опоры и посредине наносят удар, приводящий к разрушению образца. По шкале маятникового копра определяют работу К, затраченную на разрушение, и рассчитывают основную характеристику, получаемую в результате этих испытаний — ударную вязкость:

KC = K/S'0,

где S'0— площадь поперечного сечения образца в месте надреза. Единица измерения ударной вязкости — мегаджоуль на квадратный

метр (МДж/м2).

В соответствии с ГОСТ 9454 - 78 предусмотрены испытания образцов с концентратором напряжений трех видов: U-образным (радиус надреза r = 1мм); V-образным (r = 0,25 мм) и Т-образным (трещина усталости, созданная в основании надреза). Соответственно ударную вязкость обозначают: KCU,

КСТ, KCV.

Основным критерием ударной вязкости является KCU. Она состоит из двух составляющих:

KCU = КС3 + КСР,

где КС3 — работа зарождения трещины; КСр ≈ КСТ — работа распространения трещины.

Чем острее надрез, тем меньше КС3. Критерий КСТ является критерием трещиностойкости, оценивающим сопротивление материала распространению трещины.

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 — свойство металлического материала терять вязкость, хрупко разрушаться при понижении температуры. Хладноломкость проявляется у железа, стали, металлов и сплавов, имеющих ОЦК или ГП решетку. Она отсутствует у металлов с ГЦК решеткой.

На переход от вязкого разрушения к хрупкому указывают изменения строения излома и резкое снижение ударной вязкости (рис. 2.5) в интервале температур (tB – t x) (граничные значения температур вязкого и хрупкого разрушения). Строение излома изменяется от волокнистого матового при вязком разрушении (t ≥ tВ) до кристаллического блестящего при хрупком разрушении (t ≤ tx). Порог хладноломкости обозначают интервалом температур (tB — t H) либо одной температурой t50, при которой в изломе образца имеется 50 то волокнистой составляющей и КСТ снижается наполовину.

МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА, ОПРЕДЕЛЯЕМЫЕ ПРИ ПЕРЕМЕННЫХ (ЦИКЛИЧЕСКИХ) НАГРУЗКАХ

Многие детали машин (валы, шатуны, зубчатые колеса) испытывают во время работы повторяющиеся циклические нагружения. Цикл напряжения — совокупность изменения напряжений между двумя его предельными значениями σmax и σmin в течение периода Т. При экспериментальном исследовании сопротивления усталости материала за основной принят синусоидальный цикл изменения напряжения (рис. 2.6). Он характеризуется коэффициентом асимметрии цикла R = σтin/σтах; амплитудой напряжения σа = (σmax — σmin)/2; средним напряжением цикла σm = (σmах + σmin)/2.

Различают симметричные циклы (R = — 1) и асимметричные (R из-

меняется в широких пределах). Различные виды циклов характеризуют различные режимы работы деталей машин.

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).

Разрушение от усталости по сравнению с разрушением от статической нагрузки имеет ряд особенностей.

1.Оно происходит при напряжениях, меньших, чем при статической нагрузке (меньших предела текучести или временного сопротивления).

2.Разрушение начинается на поверхности (или вблизи от нее) локально, в местах концентрации напряжений (деформации). Локальную концентрацию напряжений создают повреждения поверхности в результате циклического нагружения либо надрезы в виде следов обработки, воздействия среды.

3.Разрушение протекает в несколько стадий, характеризующих процессы накопления повреждений в материале, образования трещин усталости, постепенное развитие и слияние некоторых из них в одну магистральную трещину и быстрое окончательное разрушение.

4.Разрушение имеет характерное строение излома, отражающее последовательность процессов усталости. Излом состоит из очага разрушения (места образования микротрещин) и двух зон — усталости и долома (рис. 2.7). Очаг разрушения примыкает к поверхности и имеет небольшие размеры и гладкую поверхность.

Зону усталости формирует последовательное развитие трещины усталости. В этой зоне видны характерные бороздки, которые имеют конфигурацию колец, что свидетельствует о скачкообразном продвижении трещины усталости. Зона усталости развивается до тех пор, пока в уменьшающемся рабочем сечении напряжения возрастут настолько, что

вызовут его мгновенное разрушение. Эту последнюю стадию разрушения характеризует зона долома.

О способности материала 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 (не менее 15 шт.) испытывают последовательно на разных уровнях напряжений, определяя число циклов до разрушения. Результаты испытаний изображают в виде кривой усталости, которая в логарифмических координатах: максимальное напряжение цикла σmax (или σа) - число циклов нагружений N состоит из участков прямых линий (рис. 2.8). Горизонтальный участок определяет напряжение, которое не вызывает усталостного разрушения после неограниченно большого или заданного (базового NБ) числа циклов. Это напряжение представляет собой физический предел выносливости σR(R — коэффициент асимметрии цикла), при симметричном цикле σ-1. Наклонный участок кривой усталости характеризует ограниченный предел выносливости, равный напряжению σк, которое может выдержать материал в течение определенного числа циклов (NK ).

Кривые с горизонтальным участком типичны для сталей при невысоких температурах испытаний. Кривые без горизонтального участка (кривая 2 на рис. 2.8) характерны для цветных металлов, а также для всех материалов, работающих при высоких температурах или в коррозионной среде. Такие материалы имеют только ограниченный предел выносливости.

Кривые усталости позволяют определить следующие критерии выносливости:

1)циклическую прочность — физический или ограниченный предел выносливости. Она характеризует несущую способность материала, т.е. то наибольшее напряжение, которое он способен выдержать за определенное время работы;

2)циклическую долговечность — число циклов (или эксплуатационных часов), которые выдерживают материал до образования

усталостной трещины определенной протяженности или до усталостного разрушения при заданном напряжении. Долговечность также может быть

неограниченной (при σmax < σ-1) и ограниченной (при σmax > σ-1).

Кривые выносливости в области ограниченной долговечности определяют на основе статистической обработки результатов испытаний. Это связано с значительным разбросом долговечности из-за ее высокой чувствительности к состоянию поверхности образцов.

Кроме определения рассмотренных выше критериев многоцикловой выносливости, для некоторых специальных случаев применяют испытания на малоцикловую усталость. Их проводят при высоких напряжениях (выше σ0,2) и малой частоте нагружения (обычно не более 5Гц). Эти испытания имитируют условия работы конструкций (например, самолетных), которые воспринимают редкие, но значительные циклические нагрузки. База таких испытаний не превышает 104 циклов, поэтому малоцикловую усталость материала характеризует левая верхняя ветвь кривой усталости (см. рис. 2.8).

Кривые усталости характеризуют стадию разрушения и не отражают процессы, ему предшествующие. Более показательна обобщенная диаграмма усталости (рис. 2.9). Она содержит дополнительные линии (штриховые), выделяющие в процессах усталости три стадии.

Обобщенная диаграмма позволяет установить дополнительные критерии выносливости. Из них наиболее важное значение имеет живучесть, определяемая скоростью роста трещины усталости (СРТУ). Живучесть характеризует способность материала работать в поврежденном состоянии после образования трещины (в области II на рис. 2.9). Живучесть (СРТУ) —

критерий надежности материала, с помощью которого прогнозируют работоспособность детали, рассчитанную на циклическую прочность по ограниченному пределу выносливости. При высокой живучести (малой СРТУ) можно своевременно путем дефектоскопии обнаружить трещину, заменить деталь и обеспечить безаварийную работу конструкции.

ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА МАТЕРИАЛОВ

Наиболее важными физическими свойствами, значения которых учитывают при практическом использовании материалов, являются плотность, теплоемкость, теплопроводность, тепловое расширение, электропроводность. Особые магнитные свойства железа, никеля, кобальта и их сплавов, а также ферритов, выделили их в группы материалов исключительной ценности — ферро- и ферримагнетики.

Физические свойства определяются типом межатомной связи и химическим составом материалов, температурой и давлением. Для большинства процессов обработки материалов давления не превышают 500 МПа. Такие давления практически не влияют на значения физических свойств. Различают зависимые и независимые от структуры материала физические свойства. Значения последних определяются только химическим составом материала и температурой.

При нагреве физические свойства изменяются нелинейно. Приближенно они характеризуются соответствующими температурными коэффициентами. Например, удельное электросопротивление ρ при нагреве на Т определяется зависимостью

рт = ро(1 + βΔТ),

где ро, рт — удельное электросопротивление на нижней и верхней границе интервала температур T; β — температурный коэффициент. Так как значения температурных коэффициентов малы, то аналогичные линейные зависимости свойств от температуры применимы в широких интервалах температур с достаточной для практических целей точностью.

Плотность существенно зависит от типа межатомной связи. Максимальную плотность имеют материалы с ненаправленными металлическими или ионными связями. Направленная ковалентная связь предопределяет менее плотное расположение атомов.

У металлов плотность изменяется от 22,5 г/см3 у осмия до 0,534 г/см у лития. Легирование сплава более тяжелыми элементами, чем основа, увеличивает, а более легкими — уменьшает его плотность. Масштабы легирования ограничены техническими и экономическими соображениями. Плотность основы является определяющей для группы сплавов разного химического состава на основе данного металла.

Пористость уменьшает плотность. Для порошковых сплавов и других пористых материалов она является одним из критериев качества. Пористость оценивают по фактической плотности материала и определяют методом