Механічні властивості металів і сплавів

Механічні властивості металів характеризують їх поведінку під дією зовнішніх навантажень. Вони визначаються експериментально з використанням стандартних методик і, у більшості випадків, стандартних зразків.В залежності від умов навантаження механічні властивості можуть визначатися при:

Рис.4.8. Залежність розміру зерна (d) від ступеня деформації (e)

- статичному навантажуванні, коли навантаження збільшується повільно та плавно;

- динамічному навантажуванні, коли навантаження збільшується з великою швидкістю - має ударний характер;

- повторно-змінному чи циклічному навантажуванні, коли навантаження в процесі випробування багаторазово змінюється за величиною та напрямком.

До основних властивостей металів належать міцність, пластичність, твердість, в’язкість і витривалість.

Міцність. Міцність – це здатність металів чинити опір пластичній деформації і руйнуванню під дією навантажень. Основними параметрами, які характеризують міцність металів, є границя міцності σ_в і границя текучості σ_т(σ_0,2).

Границі міцності σ_в і текучості σ_т(σ_0,2) визначають статичними випробуваннями на розтяг стандартних зразків на спеціальних розривних машинах, які записують діаграму розтягу - залежність видовження зразка (Δl) ) від діючого на нього навантаження (F). На основі цієї діаграми будують іншу діаграму: залежність відносного видовження d (%) від напруги s (МПа) (рис. 4.9).

На цій діаграмі ділянка ОА відповідає пружній деформації матеріалу, коли дотримується закон Гука.

Рис.4.9. Діаграма розтягу

Напруга, яка відповідає точці А діаграми розтягу (рис.4.9), називається границею пропорційності та позначається символом s_пц:

s_{пц =} F_пц / S₀ , (4.5)

де F_пц - навантаження, яке відповідає точці А на діаграмі розтягу, Н; S₀ - початкова площа поперечного перерізу зразка, м².

На практиці за границю пружності приймають напругу, при якій залишкова деформація становить 0,05% від початкової довжини зразка і цей параметр позначають символом s_0.05.

Напругу s_0.2, яка викликає залишкову деформацію 0,2% від початкової довжини зразка, називають умовною границею текучості:

s_{0.2 =} F_0,2 / S₀, (4.6)

де F_0,2 – навантаження, при дії якого залишкова деформація становить 0,2% від початкової довжини зразка , Н; У низки металів з ОЦК-граткою (наприклад, у низьковуглецевій сталі) при напругах вище s_пц на діаграмі розтягу спостерігається горизонтальна ділянка - це означає, що матеріал продовжує деформуватися без збільшення навантаження (напруги). Напругу, яка відповідає цьому стану матеріалу, називають фізичною границею текучості та позначають символом s_т.

Фізична (s_т) чи умовна (s_0.2) границі текучості - важливі характеристики матеріалу. Діючі в деталі напруги повинні бути завжди нижче за границю текучості.

Напругу s_в, яка відповідає точці максимуму В на діаграмі розтягу, називають границею міцності або тимчасовим опором:

σ_в = F_в / S₀, (4.7)

де F_в - навантаження, що відповідає точці максимуму (В) на діаграмі розтягу, Н.

При переході через точку В спостерігається принципова зміна характеру деформування зразка. Вона зосереджується на невеликій ділянці, де утворюється значне місцеве стоншення зразка, яку називають шийкою. Утворення шийки характерно для пластичних металів, які мають діаграму з максимумом. Для крихких матеріалів діаграма розтягу обмежується тільки ділянкою ОАВ (рис. 4.9).

Пластичність. Пластичність - це здатність металів до пластичної деформації. Показники, які визначають пластичність визначають також за результатами статичних випробувань на розтяг: це відносне видовження d та відносне звуження ψ:

δ = (l_к – l₀)/l₀ · 100% ; (4.8)

Ψ = (S₀ – S_к)/S₀· 100%, (4.9)

де l₀, l _к – початкова і кінцева розрахункові довжини зразка, м; S_к – площа поперечного перерізу зразка після його руйнування, м².

Твердість. Твердість – це здатність металу чинити опір проникненню в нього іншого більш твердого тіла. Методика випробувань на твердість дуже проста і не потребує спеціальних зразків. У більшості випадків при випробуванні на твердість в матеріал, що випробовується, вдавлюють індентор, виготовлений із більш твердого матеріалу (загартована сталь, алмаз, твердий сплав). Твердість визначають за глибиною проникнення індентора (твердість за Роквеллом - НRС, НRВ, НRА), або за площею відбитка, який залишається після вдавлювання індентора (твердість за Бринеллем -НВ, Віккерсом - НV, мікротвердість - Н). В усіх перелічених випадках при вдавлюванні індентора має місце пластична деформація матеріалу, що випробовується. Чим більший опір матеріалу пластичному деформуванню, тим на меншу глибину проникає індентор і тим вище твердість.

В'язкість. В'язкість – це здатність металу акумулювати енергію зовнішніх сил за рахунок пластичної деформації. В'язкість визначають випробуванням при динамічному навантаженні. Основним видом цих випробувань є випробування на згин спеціальних зразків з надрізом на маятникових копрах, які дозволяють визначити роботу, що витрачається на руйнування зразка (рис. 4.10). За довжиною маятника l, куту підйому маятника a, куту відхилення маятника після руйнування зразка β та масою маятника m можна визначити роботу А, яку витрачають на руйнування зразка:

A = mgl(cosβ – cosα), (4.10)

де g – прискорення земного тяжіння, м/с².

Під ударною в'язкістю розуміють роботу удару, що витрачається на руйнування зразка, віднесену до початкової площі поперечного перерізу зразка в місці, де є концентратор напружень:

КС = А/S, (4.11)

де КС - ударна в'язкість, Дж/м²; А – робота, що витрачається на руйнування зразка, Дж; S – площа поперечного перерізу зразка в місці, де створений концентратор напружень, м².

Згідно ГОСТ 9454-78 зразки для випробування на ударну в'язкість можуть мати концентратори трьох видів: U-подібну з радіусом заокруглення концентратора R=1±0,07 мм, V-подібну з R=0,25±0,025 мм і кутом 45°, Т- подібну - втомна тріщина (R ® 0). У залежності від цього ударна в'язкість позначається, відповідно, літерами КСU, КСV і КСТ.

Випробування на ударну в'язкість проводять на маятниковому копрі, а схема такого випробування наведена на рис.4.10.

Ударна в'язкість КCU і КСV - це інтегральні характеристики, тому що робота, яка витрачається на руйнування зразка складається з роботи, що витрачається на пластичну деформацію та зародження тріщини А_з і роботи, що витрачається на розповсюдження тріщини А_р, тобто

А = А_р + А_з. (4.12)

При використанні зразків з концентратором типу Т вся енергія витрачається на розповсюдження тріщини, тому КСТ є більш точною характеристикою, яка визначає надійність матеріалу і яка залежить від його схильності до крихкого руйнування. Чим більше А_р, тим менша ймовірність раптового крихкого руйнування деталі.

Рис.4.10. Схема динамічного випробування на маятниковому копрі

Витривалість. Витривалістю називається здатність металу протистояти втомному руйнуванню, а втомою – руйнування металу під дією знако- або повторно-змінних (циклічних) навантажень при напругах, менших за границю міцності.

При циклічному навантаженні в матеріалі деталі виникають напруження, які змінюються протягом кожного циклу від найбільшого σ_max до найменшого σ_min значень. Цикл навантаження характеризується коефіцієнтом асиметрії R_σ = σ_min / σ_max. Якщо σ_max і σ_min мають однакові за величиною і протилежні за знаком значення, то цикл навантаження називається симетричним і коефіцієнт асиметрії циклу дорівнює -1. Якщо σ_max і σ_min не однакові за величиною, то цикл називається асиметричним.

Втомне руйнування відбувається внаслідок того, що при довготривалій дії циклічних напружень на поверхні деталі накопичуються мікропошкодження, потім утворюється мікротріщина, яка поступово збільшується під час роботи деталі і настає момент, коли деталь раптово руйнується без підвищення навантаження, що діє на неї.

Границя витривалості позначається символом σ_R (R – коефіцієнт асиметрії циклу), а при симетричному циклі – σ_-1. На втому випробовують серію гладких або з надрізом циліндричних (не менше десяти) зразків. Кожен зразок випробовують при заданому найбільшому напруженні циклу σ_max і визначають експериментально кількість циклів N, що витримує зразок до його руйнування. За результатами таких випробувань будують графік в координатах σ - lgN , який називається кривою втоми або Веллера і який відображає залежність між максимальними напруженнями циклу і кількістю циклів навантаження до руйнування зразка (рис.4.11).

σ_max

σ_1max

σ_2max

σ_3max

σ_4max

σ_5max

σ_R

N₁ N₂ N₃ N₄ N₅ N₆ N₇

Кількість циклів навантаження N

Рис.4.11. Крива втоми.

Границею витривалості (σ_R) називають таке максимальне за абсолютним значенням напруження циклу, при дії якого матеріал не руйнується при заданої або як завгодно великої кількості циклів навантаження. На практиці границю витривалості визначають на базі нормованої кількості циклів навантаження: для сталі N = 10⁷, для кольорових металів і сплавів N = 10⁸.