Глава 1. Свойства конструкционных материалов

Конструкционные материалы обладают определенным набором свойств, которые определяют их механические и технологические характеристики.

Механические свойства – обусловливают надежность работы изготовленных из этих материалов деталей и конструкций в заданных условиях эксплуатации.

Технологические свойства – характеризуют легкость получения детали выбранным способом из данного конструкционного материала с требуемой точностью размеров, формы и качества поверхностного слоя.

1.1. Механические свойства

К основным механическим свойствам относят прочность, пластичность, ударную вязкость, усталостную прочность, ползучесть, твердость и износостойкость.

Прочность – способность материала сопротивляться деформациям и разрушению. Для оценки прочности материалов наиболее часто используют следующие показатели:

Предел прочности при растяжении (временное сопротивление разрыву) (_В) – это напряжение (МПа), предшествующее разрыву образца:

_В = Р_max/F₀, (1)

где Р_max – нагрузка, необходимая для разрыва стандартного образца, Н;

F₀ – площадь поперечного сечения образца, м².

Испытания на растяжение применяют практически для всех материалов. Для испытаний используют цилиндрические (диаметром до 25 мм) или плоские образцы.

Предел текучести – механическое напряжение σ_т, дальше которого упругая деформация тела (исчезающая после снятия напряжения) переходит в пластическую (необратимую, когда геометрия тела не восстанавливается после снятия деформирующего напряжения).

Предел текучести соответствует площадке текучести диаграммы деформирования материала. В случае, если такая площадка отсутствует, вместо σ_т используется напряжение σ0,2 (читается: сигма ноль-два), соответствующее напряжению, при котором остаточные деформации конструкции (пластические деформации) составляют 0,2 % от длины испытываемого образца.

Предел прочности при кручении (τ) – это напряжение (МПа), предшествующее разрушению образца при кручении:

τ = Т_к/W_p, (2)

где Т_к – разрушающий крутящий момент, Н;

W_p – полярный момент сопротивления, м³:

W_p = .

Испытания на кручение применяются как для пластичных, так и малопластичных материалов. Для испытания применяют образцы цилиндрической формы с диаметром D = 10 мм.

Предел прочности при изгибе (_изг) – это напряжение (МПа), предшествующее разрушению образца при изгибе:

_изг = М_изг/W, (3)

где М_изг – разрушающий изгибающий момент, Н;

W – момент сопротивления, м³.

Испытание на изгиб применяют для малопластичных материалов: чугунов и закаленных (чаще инструментальных) сталей. Для испытаний применяют образцы круглого, прямоугольного или квадратного сечений.

Испытания проводят только под действием статических нагрузок.

В процессе испытаний под действием внешних нагрузок происходит деформация образцов, изменяющая их форму и размеры.

Упругая деформация – деформация, исчезающая после снятия напряжений. Связь между напряжением в образце  и его деформацией ε имеет вид

ε = /Е. (4)

Коэффициент пропорциональности Е называется модулем упругости. Принято считать, что для всех чугунов и сталей независимо от химического состава модуль упругости имеет постоянное значение Е = 210⁵ МПа. Величина «деформация» – это относительное понятие, которое показывает, насколько изменились размеры или объем тела под действием деформирующей нагрузки по сравнению с ненагруженным состоянием.

Остаточная деформация – деформация, не исчезающая после прекращения действия напряжений.

Пластическая деформация – остаточная деформация, изменяющая форму образца и не вызывающая его разрушения.

Пластичность – способность материалов изменять без разрушения форму и размеры под влиянием нагрузки. При этом форма и размеры должны устойчиво сохраняться после снятия нагрузки.

Пластичность δ оценивается наибольшим относительным удлинением (после разрыва) образца (%):

δ = , (5)

где l₀ – начальная длина образца; l – длина образца после разрыва.

Испытания материалов по данному параметру проводятся на образцах имеющих длину пять и десять диаметров, соответственно в справочной литературе они обозначаются как δ₅ и δ₁₀.

Другой характеристикой пластичности является относительное сужение после разрыва ψ, %:

, (6)

где F₀ – начальная площадь поперечного сечения образца;

F_к – минимальная конечная площадь поперечного сечения после разрыва.

Твердость – способность материала сопротивляться внедрению в него другого тела.

Определение данной характеристики материала производится на специальных приборах путем вдавливания в поверхность испытуемого образца эталонного тела (индентора). Этот вид механических испытаний не связан с разрушением металла и, кроме того, в большинстве случаев не требует приготовления специальных образцов.

Все методы измерения твердости можно разделить на две группы в зависимости от вида движения индентора: статические методы и динамические. Наибольшее распространение получили статические методы определения твердости.

Статическим методом измерения твердости называется такой, при котором индентор медленно и непрерывно вдавливается в испытуемый металл с определенным усилием. К статическим методам относят следующие: измерение твердости по Бринеллю, Роквеллу и Виккерсу.

Измерение твердости по Бринеллю (вдавливанием шарика) осуществляется следующим образом. В образец с помощью пресса вдавливают стальной закаленный шарик диаметром D, равным 2,5; 5 или 10 мм (рис. 1). Нагрузка Р прикладывается без удара и перпендикулярно поверхности образца. Далее замеряют площадь F сферического отпечатка и находят соотношение между приложенной нагрузкой и площадью отпечатка.

Твердость по Бринеллю обозначается буквами НВ и числовым значением твердости (например, 180 НВ, 220 НВ). Этот способ используют для оценки твердости чугунов, незакаленных сталей и цветных сплавов.

Данный метод не позволяет испытывать материалы твердостью более 650 НВ и измерять твердость тонкого поверхностного слоя.

Рис. 1. Определение твердости по Бринеллю

Измерение твердости по Роквеллу (вдавливанием конуса или шарика) осуществляется следующим образом. Твердость измеряют по глубине отпечаткаh, образовавшегося после вдавливания алмазного конуса (шкалы HRA и HRC) (рис. 2) или стального шарика (шкала HRВ). Испытания проводят на специальном приборе с помощью подвешивания груза к рычагу.

Твердость по Роквеллу обозначается буквами HR с указанием шкалы твердости (А, В и С) и цифрами.

Рис. 2. Определение твердости по Роквеллу

Наиболее распространена шкала С (твердость HRС). По этой шкале испытания проводят алмазным конусом с нагрузкой 1500 Н. Пределы измерения по шкале С: 20-67 единиц. Измерения по шкале С проводят:

- для закаленной и низко отпущенной стали твердостью более 450 НВ;

- для определения твердости тонких (0,5-2,0 мм) поверхностных слоев (например, цементированного слоя или закаленного слоя после закалки токами высокой частоты).

По шкале А (твердость HRА) проводят измерения алмазным конусом с нагрузкой 600 Н. Пределы измерения по шкале А: 75-85 единиц. Измерения проводят:

- для очень твердых материалов, например, твердых сплавов;

- для измерения твердости тонких поверхностных слоев (до 0,5 мм).

По шкале В (твердость HRВ) измерения проводят стальным шариком с нагрузкой 1000 Н, с пределами измерения по шкале В: 25-100 единиц. Эта шкала используется для относительно мягких материалов (например, отожженная сталь или цветные сплавы).

Измерения твердости по Виккерсу (вдавливанием алмазной пирамиды) осуществляется следующим образом. В испытуемый образец вдавливают алмазную пирамидку с силой от 10 до 1000 Н и по глубине отпечатка определяют твердость (рис. 3). Метод Виккерса (твердость HV) применяют для оценки твердости тонких слоев (например, твердости азотированного слоя толщиной 0,05 мм).

Рис. 3. Определение твердости по Виккерсу

При динамическом испытании контролируется размер отскока испытательного инструмента от поверхности испытываемого образца. К динамическим методам относят: твердость по Шору, по Польди.

Ударная вязкость – способность материала поглощать механическую энергию в процессе деформации и разрушения под действием ударной нагрузки. Основным отличием ударных нагрузок от испытаний на растяжение-сжатие или изгиб является гораздо более высокая скорость выделения энергии. Таким образом, ударная вязкость характеризует возможности материала по быстрому поглощению энергии. Обычно оценивается работа до разрушения или разрыва испытываемого образца при ударной нагрузке, отнесённой к площади его сечения в месте приложения нагрузки. Единица ударной вязкости – Дж/м².

Существующие лабораторные методы отличаются по способу закрепления образца на испытательном стенде, по способу приложения нагрузки (падающая гиря, маятник, молот) и по наличию или отсутствию надреза в месте приложения удара.

Для испытания "без надреза" выбирается лист материала с равной толщиной по всей площади. При проведении испытания "с надрезом" на поверхности листа проделывается канавка, как правило, на стороне обратной по отношению к месту удара, на всю ширину (длину) образца, глубиной на 1/2 толщины. Ударная вязкость при испытании "без надреза" может превышать результат испытаний "с надрезом" более чем на порядок. В справочной литературе ударная вязкость определенная «без надреза» обозначается а, при определении с «надрезом» – а_н.

Усталость материала – процесс постепенного накопления повреждений под действием переменных (часто циклических) напряжений, приводящий к изменению свойств материала, образованию трещин, их развитию и разрушению материала за указанное время.

Обратное свойство материала называется выносливостью.

Выносливость – свойство материала воспринимать переменные (циклические) нагрузки без разрушения за указанное время.

Предел выносливости – наибольшее напряжение, которое выдерживает материал без разрушения при повторении заданного числа циклов переменных нагрузок. Предел выносливости измеряется как напряжение и обозначается буквами ₁, τ₁ (при симметричном цикле нагружений) или _R, τ_R (при несимметричном цикле). Кроме того, это понятие близко связано с прочностью, а именно, с понятием усталостной прочности.

Усталостная прочность – свойство материала не разрушаться с течением времени под действием изменяющихся рабочих нагрузок.

Процесс усталости состоит из трех этапов, соответствующие этим этапам зоны в изломе показаны на рис. 4. На первом этапе (зона 1) происходит образование трещины в наиболее нагруженной части сечения, которая подвергалась микродеформациям и получила максимальное упрочнение. На втором этапе (зона 2) – постепенное распространение трещины, в результате чего образуется гладкая притертая поверхность. На заключительном этапе в зоне 3 происходит окончательное разрушение (зона “долома“), живое сечение образца уменьшается, а истинное напряжение увеличивается, пока не происходит хрупкое или вязкое разрушение.

Рис. 4. Схема зарождения и развития трещины