Материаловедение





Физико-механические свойства конструкционных материалов




Физико-механические свойства конструкционных материалов подразделяются на:

  • конструкционные;
  • технологические;
  • эксплуатационные.

Конструкционные свойства

К конструкционным свойствам относятся:

  • прочность;
  • упругость;
  • пластичность;
  • твердость;
  • ударная вязкость.

Эти свойства определяют прочность и долговечность машины.

Прочность – это способность материала  сопротивляться деформации и разрушению.

Деформацией называется изменение размеров и формы тела под действием внешних сил. Деформации подразделяются на упругие и пластические. Упругие деформации исчезают после окончания действия сил, а пластические остаются.

Пластичность – способность материала деформироваться. Пластичность обеспечивает конструктивную прочность деталей под нагрузкой и нейтрализует влияние концентраторов напряжений – отверстий, вырезов и т. п. При пластическом деформировании металла одновременно с изменением формы изменяется ряд свойств, в частности при холодном деформировании повышается прочность, но снижается пластичность.

Большинство механических характеристик материалов определяют в результате испытания образцов на растяжение (ГОСТ 1497-84).

При растяжении образцов с площадью поперечного сечения Fa и рабочей (расчетной) длиной lо строят диаграмму растяжения в координатах: нагрузка  P – удлинение  ∆l образца (Рисунок 3.).

Диаграмма растяжения характеризует поведение металла при деформировании от момента начала нагружения до разрушения образца. На диаграмме выделяют три участка:

  • упругой деформации – до нагрузки Pупр;
  • равномерной пластической деформации от Pупр до Pmax;
  • сосредоточенной пластической деформации от Pmax до Pk.

Если образец нагрузить в пределах Pупр, а затем полностью разгрузить и замерить его длину, то никаких последствий нагружения не обнаружится.

диаграмма растяжения металла

Рисунок 3.  Диаграмма растяжения металла

Такой характер деформирования образца называется упругим.
При нагружении образца более Pупр появляется остаточная (пластическая) деформация. 
Пластическое деформирование идет при возрастающей нагрузке, так как металл упрочняется в процессе деформирования. 
Упрочнение металла при деформировании называется наклепом.

При дальнейшем нагружении пластическая деформация, а вместе с ней и наклеп все более увеличиваются, равномерно распределяясь по всему объему образца. 
После достижения максимального значения нагрузки Pmax в наиболее слабом месте появляется местное утонение образца – шейка, в которой в основном и протекает дальнейшее пластическое деформирование. В связи с развитием шейки, несмотря на продолжающееся упрочнение металла, нагрузка уменьшается от Pmax до Pk, и при нагрузке Pk происходит разрушение образца. 
При этом упругая деформация образца ∆lупр  исчезает, а пластическая ∆lост остается.

При деформировании твердого тела внутри него возникают внутренние силы. Величину сил, приходящуюся на единицу площади поперечного сечения образца, называют напряжением.
Единица измерения напряжения - мегаПаскаль (МПа).

Отмеченные выше нагрузки на кривой растяжения (Pупр, PT, Pmax, Pk) служат для определения основных характеристик прочности (напряжений):

  • предела упругости σу;
  • предела текучести σТ;
  • временного сопротивления σв  (предела прочности) и истинного сопротивления разрушению.



Временное сопротивление (предел прочности)   σв  – это напряжение, соответствующее наибольшей нагрузке, предшествующей разрушению образца.

σв = Рmax/F0;

где  Р  – максимальная нагрузка, предшествующая разрушению;  
           F0  – первоначальная площадь поперечного сечения образца.

Для оценки пластичности металла служат относительное остаточное удлинение образца при растяжении   δР  и относительное остаточное сужение площади поперечного сечения образца ψР.

Относительное остаточное удлинение определяется по формуле:

δР = (lк – l0)/l0,

где    – длина образца после испытания; 
            l0 –длина образца до испытания.

Относительное остаточное сужение  определяется из выражения:

ψР = (Fк – F0) × 100%/F0,

где   F0  – начальная площадь поперечного сечения образца; 
            Fк  – площадь поперечного сечения образца в месте разрушения.

Твердость – это сопротивление материала проникновению в его поверхность стандартного тела (индентора). О твердости судят либо по глубине проникновения индентора, либо по величине отпечатка от вдавливания. Во всех случаях происходит пластическая деформация материала. Чем больше сопротивление материала пластической деформации, тем выше твердость.

Наибольшее распространение получили методы определения твердости Бринелля, Роквелла, Виккерса и микротвердости.

Схемы испытаний представлены на Рисунке 4.

свойства конструкционных материалов

Рисунок 4.  Схема определения твердости материала 
по Бринеллю (а), по Роквеллу (б), по Виккерсу (в).

Твердость по Бринеллю определяют на твердомере Бринелля. В качестве индентора используется стальной закаленный шарик диаметром  D  2,5; 5; 10 мм, в зависимости от толщины изделия.

Полученный отпечаток измеряется в двух направлениях при помощи лупы Бринелля. Твердость определяется как отношение приложенной нагрузки P  к сферической поверхности отпечатка.

Метод Роквелла основан на вдавливании в поверхность под определенной нагрузкой наконечника в виде шарика или алмазного конуса. Для мягких материалов (до НВ 230) используется  стальной шарик диаметром 1/16” (1,6 мм), для более твердых материалов – конус алмазный.

Нагружение осуществляется в два этапа. Сначала прикладывается предварительная нагрузка P0  (100 Н) для плотного соприкосновения наконечника с образцом. Затем прикладывается основная нагрузка P1, в течение некоторого времени действует общая рабочая нагрузка P. После снятия основной нагрузки определяют значение твердости по глубине остаточного вдавливания наконечника h под нагрузкой P0.

Твердость по Виккерсу определяется по величине отпечатка индентора: алмазная четырехгранная пирамида с углом при вершине 136o.

Твердость рассчитывается как отношение приложенной нагрузки  P  к площади поверхности отпечатка.

Нагрузка P  составляет 50…1000 Н. Диагональ отпечатка  d  измеряется при помощи микроскопа, установленного на приборе.

Преимущество данного способа в том, что можно измерять твердость любых материалов, тонких изделий, поверхностных слоёв. Метод обеспечивает высокую точность при высокой чувствительности.

Способ микротвердости – используется для определения твердости отдельных структурных составляющих и фаз сплава, очень тонких поверхностных слоев (сотые доли миллиметра). Метод аналогичен способу Виккерса. Индентор – пирамида меньших размеров, нагрузки при вдавливании P составляют 5…500 Н.

Ударная вязкость характеризует надежность материала, его способность сопротивляться хрупкому разрушению. Испытания на ударную вязкость производят на маятниковых копрах. Испытуемые образцы имеют надрезы определенной формы и размеров.
Образец устанавливают на опорах копра надрезом в сторону, противоположную удару ножа маятника, который поднимают на определенную высоту.

Характеристикой вязкости является ударная вязкость aн, (удельная работа разрушения).

***

Технологические свойства конструкционных материалов