Контрольные вопросы:

1. Охарактеризуйте основные физические свойства металлов и сплавов.

2. Перечислите основные химические свойства материалов.

3. В чем суть явления коррозии? Что такое электрохимическая коррозия?

4. Охарактеризуйте основные методы защиты от коррозии.

5. В чем суть биокоррозии? Где она распространяется?

6. Назовите основные причины биокоррозии.

7. Каковы основные приемы борьбы с биокоррозией?

1.5.5. Механические свойства

Механические свойства материалов определяют поведение материала при деформации и разрушении под воздействием внешних нагрузок. Контроль механических свойств начинается еще при производстве металла на металлургических заводах. Когда металл или прокат поступает к потребителю, например на машиностроительные заводы, его отбирают в зависимости от уровня характеристик механических свойств, для изготовления тех или иных изделий с учетом условий их эксплуатации. При изготовлении изделий металл подвергается различной технологической обработке (механической, термической и др.), под воздействием которых происходят изменения в структуре и механических свойствах.

В процессе эксплуатации изделий под влиянием различных факторов (повышенные или пониженные температуры, давление, агрессивная среда и др.) изменяются структура и механические свойства, что с течением времени приводит к ухудшению свойств и даже разрушению металла.

Поэтому необходим контроль механических свойств металла и на различных стадиях изготовления изделий.

В связи с этим при изготовлении и эксплуатации деталей машин необходимо учитывать механические свойства, такие как прочность, упругость, пластичность, ударную вязкость, твердость, выносливость, вибростойкость и др. Эти свойства определяют по результатам механических испытаний, при которых металлы подвергают воздействию внешних нагрузок. Нагрузка (действие внешних сил) вызывает в твердом теле напряжение и деформацию.

Деформация – изменение формы и размеров твердого тела под влиянием приложенных внешних сил.

В простейшем случае осевого растяжения стержня (Рис 1.7.а) напряжение  в поперечном сечении определяется как отношение растягивающей силы Р к площади поперечного сечения F₀ испытуемого образца.

 = P/F₀

В общем случае. Когда сила не перпендикулярна плоскости рассматриваемого сечения F₁ , полное напряжение  можно разложить на составляющие нормальное и касательное напряжение _n и _τ соответственно.

На рис.1.7.б - сила Р расположена под углом  к плоскости поперечного сечения, тогда

₁ = Р/F₁ = cos 

Рис.1.7. Схема нормальных (а) и

тангенциальных (касательных - б)

напряжений.

Введение понятия напряжение позволяет проводить расчет на прочность конструкций и их элементов.

Различают деформацию растяжения, изгиба, сжатия, кручения, среза. В действительности материал, как правило, подвергается нескольким видам деформации одновременно. Если в результате изменяются только линейные размеры – линейная деформация, если изменяются и углы, то это деформация сдвига. Угол сдвига – изменение прямого угла между лучами, исходящими из одной точки в образце при его деформировании.

Параметром деформирования считается относительное удлинение (Δl/l%) – это наибольшее удлинение, до которого образец деформируется равномерно по всей его рабочей длине

(Δl/l₀) 100 = [(l – l₀)/l₀] 100,

где l₀ и l длина образца исходная и после деформирования.

Любое воздействие внешних сил на твердое тело уравновешивается противодействием межатомных сил, которые стремятся вернуть атомы в положение, соответствующее минимуму потенциальной энергии.

Деформация совершается в результате относительного смещения атомов от положения равновесия. При упругой деформации сохраняется пропорциональная зависимость между деформирующими силами и смещениями атомов. После снятия внешних сил твердое тело восстанавливает свои исходные размеры и форму. Если при прекращении действия сил твердое тело не полностью восстанавливается, то такая деформация называется пластической (остаточной). В этом случае атомы не возвращаются в исходные позиции, а занимают новые положения устойчивого равновесия.

В результате деформации может произойти и разрушение тела: сначала зарождается микротрещина, затем макротрещина и происходит в дальнейшем распространение трещины по всему сечению.

В зависимости от условий нагружения механические свойства могут определяться при:

• статическом нагружении (нагрузка на образец возрастает медленно и плавно). К статическим испытаниям относятся испытания на растяжение, сжатие, кручение, изгиб, твердость, пластичность.

• динамическом нагружении – нагрузка возрастает с большой скоростью, может иметь ударный характер; (образец устанавливается на двух опорах, затем наносят удар по средине образца со стороны противоположной надрезу); испытания проводятся на ударную вязкость;

• повторно-переменное нагружение – нагрузка меняется и по величине и по направлению (циклические нагрузки).

Рассмотрим механические свойства, определяемые при статическом

нагружении.

Одним из основных видов испытаний является испытания на растяжение. Они позволяют получить достаточно полную информацию о таких механических свойствах материала как прочность, упругость и пластичность. Для этого применяют специальные образцы, имеющие в поперечном сечении форму круга (цилиндрические образцы) или прямоугольника (плоские образцы).

Перед испытанием образец закрепляют в вертикальном положении в захватах испытательной машины. В процессе испытаний снимается диаграмма растяжения – зависимость абсолютного удлинения (Δl) от приложенной нагрузки (P).

На диаграмме растяжения пластичных металлических материалов (Рис.1.8.б) можно выделить три характерных участка: участок ОА — прямолинейный, соответствующий упругой деформации; участок АВ — криволинейный, соответствующий упругопластической деформации при возрастании нагрузки (точка В соответствует максимальной нагрузке Р_max); участок ВС — также криволинейный, соответствующий упругопластической деформации при снижении нагрузки. В точке С происходит окончательное разрушение образца с разделением его на две части (точка С соответствует нагрузке при которой происходит разрыв образца Р_раз)

При переходе от упругой деформации к упругопластической для некоторых металлических материалов на машинной диаграмме растяжения может проявляться небольшой горизонтальный участок (Рис.1.8.а), который называют площадкой текучести АА^'(она имеет место в основном для сталей и латуней) Этот участок соответствует нагрузке текучести Р_т.

а. б.

Рис.1.8. Схема диаграмм растяжения пластичных материалов:

а - с площадкой текучести; б – без площадки текучести.

При наличии дефектов кристаллической решетки после небольшой упругой деформации происходит пластическая, или точнее упругопластическая, в течение которой из-за наличия в решетке дефектов под действием приложенной силы разрушается значительно меньшее количество межатомных сил сцепления. При этом начинает действовать дислокационный механизм упругопластической деформации, развитие которой может привести к разрушению металла.

На этой стадии деформации в действие включаются новые источники дислокаций, происходит их спонтанное размножение и лавинообразное распространение по плоскостям скольжения. При наличии в металле металлургических дефектов или концентраторов напряжений разрушение наступает раньше и продолжается более короткое время.

С увеличением упругопластической деформации усилие, с которым сопротивляется образец, растет и достигает в точке В своего максимального значения. Для пластичных материалов в этот момент в наиболее слабом месте образца образуется локальное сужение (шейка), где при дальнейшем формировании происходит разрыв образца. На участке ОАВ деформация распределена равномерно по всей длине образца, на участке ВС практически вся сосредоточена в зоне шейки.

По результатам статических испытаний определяют прочностные характеристики.

В начале испытаний при относительно небольших нагрузках, удлинение образца пропорционально нагрузке. Этот закон остается справедливым до некоторого значения Р_уп. При этом имеют место практически только упругие деформации. Предел упругости определяют как напряжение, при котором остаточная деформация достигает величины 0,05% от расчетной длины образца (можно при 0,01% или 0,03% по требованию).

Прочность – способность материала сопротивляться разрушению под действием нагрузок и оценивается пределом прочности и пределом текучести.

Предел прочности это напряжение, предшествующее разрушению образца.

Напряжение, при котором возникает площадка текучести, называется пределом текучести. При отсутствии площадки текучести определяют условный предел текучести, которым является напряжение, приводящее к остаточной деформации 0,2% от длины образца (Рис.1.8.б – Р_0,2). Таким образом, предел текучести определяет наименьшее напряжение, при котором образец деформируется без заметного увеличения нагрузки.

При испытании на растяжение определяются также и характеристики пластичности. К ним относятся относительное удлинение и относительное сужение. Чем больше значение относительного удлинения и сужения, тем более материал пластичен.

Для материалов хрупких вместо испытаний на растяжение, применяют статические испытания на сжатие (чугун), кручение (закаленные инструментальные и конструкционные стали), изгиб (серый и ковкий чугун).

Важной характеристикой при статическом испытании материалов является испытание на твердость.

Твердость - это свойство материала оказывать сопротивление кон­тактной деформации или хрупкому разрушению при внедрении индентора в поверхность. Высокой твердостью должны обладать металлорежущие инструменты и поверхностно-упрочненные детали. Испытания на твердость - самый доступный и распространенный вид механических испытаний. Это определяется тем, что испытания на твердость проводятся быстро, просто и не разрушают изделие. Наибольшее применение в технике получили статические методы испытания на твердость при вдавливании индентора: метод Бринелля, метод Виккерса и метод Роквелла.

При испытании на твердость по методу Бринелля (Рис.1.9.а) в поверхность материала вдавливается твердосплавный шарик диаметром D под действием нагрузки Р и после снятия нагрузки измеряется диаметр отпечатка d и глубина t. Число твердости по Бринеллю (НВ) подсчитывается как отношение нагрузки Р к площади поверхности сферического отпечатка S. Метод Бринелля не рекомендуется применять для материалов с твердостью более 450 НВ, так как стальной шарик может заметно деформироваться, что внесет погрешность в результаты испытаний.

При испытании на твердость по методу Виккерса в поверхность материала вдавливается алмазная четырехгранная пирамида с углом при вершине  = 136° (рис.1.9.в). После снятия нагрузки вдавливания измеряется диагональ отпечатка d. Число твердости по Виккерсу HV подсчитывается как отношение нагрузки Р к площади поверхности пирамидального отпечатка S.

Рис. 1.9. Опредедение твердости металла методами Бринелля (а), Роквелла (б) и Виккерса (в).

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 (Рис.1.9.б). Однако, согласно этому методу, за условную меру твердости принимается глубина отпечатка. Вначале прикладывается предварительная нагрузка Р₀ под действием которой, индентор вдав­ливается на глубину Н₀. Затем прикладывается основная нагрузка Р₁, под действием которой, индентор вдавливается на глубину H₁. После этого снимают нагрузку P₁, но оставляют предварительную нагрузку Р₀. При этом под действием упругой деформации индентор поднимается вверх, но не достигает уровня Н₀. Разность (Н – Н₀ ) 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 (Рис.1.9.б). 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, или С, или обозначающая соответствующую шкалу измерений.

Преимущество метода Роквелла по сравнению с методами Бринелля и Виккерса заключается в том, что значение твердости по методу Роквелла фиксируется непосредственно стрелкой индикатора, при этом отпадает не­обходимость в оптическом измерении размеров отпечатка.

При динамическом нагружении в основном проводятся испытания на ударный изгиб образцов с надрезом, результате которых определяют ударную вязкость. При этом определяется склонность материалов к хрупкому разрушению.

Ударная вязкость оценивается работой, затраченной на ударный излом образца и отнесенной к площади его поперечного сечения в месте надреза.

А = А_уи/S,

где А_уи- работа затраченная на ударный излом;

S - площадь поперечного сечения.

Вместе с тем ударная вязкость является сложной механической характеристикой и состоит из двух составляющих: удельной работы зарождения трещины А_з и удельной работы ее распространения А_р, т.е.

А = А_з + А_р.

Испытания проводятся на маятниковых копрах. Схема испытания приведена на рис. 1.10.

Указатель на шкале копра фиксирует величину работы и проградуирован с учетом потерь (трение в подшипниках, сопротивление воздуха и т.д.).

Рис.1.10. Схема испытаний на ударную вязкость.

а - схема маятникового копра;

б - расположение образца на копре: 1 - корпус маятника копра; 2 - ударная часть маятника; 3 - образец.

Для охрупченных материалов основная часть работы идет на зарождение трещины, а работа распространения трещины незначительна. Для пластичных материалов работа распространения трещины имеет преобладающее значение. Анализ составляющих ударной вязкости позволяет более рационально выбрать материал и определить его назначение.

Важным критерием вязкости является при ударных испытаниях вид излома. Излом имеет кристаллический вид, блестящий – это хрупкие материалы; излом волокнистый – матовый - материалы вязкие; Смешанный излом – ограниченная вязкость.

Большинство разрушений деталей и конструкций при эксплуатации происходит в результате циклического нагружения. Металл, подверженный такому нагружению, может разрушаться при более низких напряжениях, чем при однократном плавном нагружении.

Процесс постепенного накопления повреждений в материале при действии циклических нагрузок, приводящий к образованию трещин и разрушению, называют усталостью. Свойство материалов противостоять усталости называют выносливостью.

Сопротивление усталости характеризуется пределом выносливости, под которым понимают максимальное напряжение, которое не вызывает разрушения образца при любом числе циклов (физический предел выносливости) или заданном числе циклов (ограниченный предел выносливости).

Циклическое нагружение осуществляется подвешенным неподвижным грузом при вращении консольно закрепленного образца (Рис.1.11).

Рис.1.11. Схема нагружения образца при испы-

тании на усталость. 1- вращающий элемент;

2- образец; 3 - нагружающий подшипник.

Для определения предела выносливости испытывают не менее 15 образцов. Каждый образец испытывают только на одном уровне напряжений - до разрушения или до базового числа циклов. По результатам испытаний отдельных образцов строят диаграммы усталости, по которым определяют предел выносливости. Такая методика испытания материалов относится к испытаниям на многоцикловую усталость, когда используются большая база испытаний (до 10⁷—10⁸ циклов) и высокая частота нагружения (до 300 Гц).

Однако в технике имеют место испытания и на малоцикловую усталость, отражающие условия эксплуатации конструкций, подвергающихся воздействию сравнительно редких, но значительных по величине циклических нагрузок. Испытания на малоцикловую усталость проводятся при сравнительно малой частоте нагружения (3—5 Гц) на базе, не превышающей 5*10⁴ циклов.

Разрушение материалов при усталости отличается от разрушения при однократных нагрузках. Оно характеризуется отсутствием в изломе внешних признаков пластической деформации, т. е. в целом усталостный излом имеет характер хрупкого излома. Однако в микрообъемах и тонких слоях сечения нагруженного образца имеет место пластическая деформация, приводящая к зарождению трещин, которые, постепенно развиваясь и распространяясь, доводят материал до окончательного разрушения. При усталостном нагружении начало пластической деформации, обусловленное движением дислокации, может иметь место при напряжениях меньше предела текучести. При увеличении числа циклов нагружения растет плотность дислокации, прежде всего в поверхностных слоях.

Зарождение микротрещин при циклическом нагружении происходит на начальной стадии испытания. Микротрещина может зарождаться за счет притока вакансий и последующего возникновения и слияния микропор. В образце может возникнуть множество микротрещин. Однако развиваются не все, а только те, которые имеют наиболее острую вершину и наиболее благоприятно расположены по отношению к действующим напряжениям. Самая длинная, острая и глубокая трещина, распространяясь по сечению образца, доводит его до окончательного разрушения. Для усталостного излома образца характерно наличие зоны прогрессивно растущей трещины и зоны окончательного излома. На процесс разрушения при циклических нагрузках существенное влияние оказывают концентраторы напряжений.

В заключение следует отметить, что если металл должен работать при низких температурах, то и испытания проводятся при низких температурах. При понижении температуры, как правило, вязкость снижается, повышается хрупкость.

Хладноломкостью называют способность некоторых металлов охрупчиваться при низких температурах. К хладноломким металлам можно отнести металлы с решеткой объемноцентрированного куба, например Fe- , и гексагональной, например Zn. Для этой группы металлов при определенной ми­нусовой температуре наблюдается резкое снижение ударной вязкости.

К нехладноломким металлам можно отнести металлы с решеткой гране-центрированного куба, например Fe- , Al, Ni и др.

Деление металлов на хладноломкие и нехладноломкие является условным, так как, например, аустенитные стали, имеющие решетку гранецентрированного куба, тоже подвержены охрупчиванию, но только в меньшей степени и при более низких температурах, чем углеродистые и низколегированные стали, имеющие решетку объемноцентрированного куба.

.