что такое механические свойства металлов

МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА МЕТАЛЛОВ

И МЕТОДЫ ИХ ОПРЕДЕЛЕНИЯ

Цель работы: изучить способы определения основных механических свойств металлических материалов.

Теоретические сведения

Механические свойства определяют способность металлов сопротивляться воздействию внешних сил (нагрузок). Они зависят от химического состава металлов, их структуры, характера технологической обработки и других факторов. Зная механические свойства металлов, можно судить о поведении металла при обработке и в процессе работы машин и механизмов.

К основным механическим свойствам металлов относятся прочность, пластичность, твердость и ударная вязкость.

Прочность – способность металла не разрушаться под действием приложенных к нему внешних сил.

Пластичность – способность металла получать остаточное изменение формы и размеров без разрушения.

Твердость – способность металла сопротивляться вдавливанию в него другого, более твердого тела.

Ударная вязкость – степень сопротивления металла разрушению при ударной нагрузке.

Механические свойства определяют путем проведения механических испытаний.

Испытания на растяжение. Этими испытаниями определяют такие характеристики, как пределы пропорциональности, упругости, прочности и пластичность металлов. Для испытаний на растяжение применяют круглые и плоские образцы (рисунок 2.1, а, б), форма и размеры которых установлены стандартом. Цилиндрические образцы диаметром d₀ = 10 мм, имеющие расчетную длину l₀ = 10d₀, называют нормальными, а образцы, у которых длина l₀ = 5d₀, – короткими. При испытании на растяжение образец растягивается под действием плавно возрастающей нагрузки и доводится до разрушения.

а, б – стандартные образцы для испытания на растяжение;

в – диаграмма растяжения образца из пластичного материала

Рисунок 2.1 – Испытание на растяжение

Усилия, соответствующие основным точкам диаграммы растяжения, дают возможность определить характеристики прочности, выраженные в мегапаскалях, МПа, по формуле

, (2.1)

P_i – соответствующая точка диаграммы растяжения, Н;

Предел пропорциональности σ_пц – это наибольшее напряжение, до которого сохраняется прямая пропорциональность между напряжением и деформацией:

, (2.2)

где P_пц – напряжение, соответствующее пределу пропорциональности, Н.

Предел упругости σ_упр – напряжение, при котором пластические деформации впервые достигают некоторой малой величины, характеризуемой определенным допуском (обычно 0,05 %):

, (2.3)

где P_упр – напряжение, соответствующее пределу упругости, Н.

Предел текучести физический σ_т — напряжение, начиная с которого деформация образца происходит почти без дальнейшего увеличения нагрузки:

, (2.4)

где P_т – напряжение, соответствующее пределу текучести, Н.

Если площадка текучести на диаграмме растяжения данного материала отсутствует, то определяется условный предел текучести σ_0,2 — напряжение, вызывающее пластическую деформацию, равную 0,2 %.

Предел прочности (временное сопротивление) σ_в — напряжение, равное отношению наибольшей нагрузки, предшествующей разрушению образца, к первоначальной площади его сечения:

, (2.5)

где P_в – напряжение, соответствующее пределу прочности, Н.

По результатам испытания на растяжение определяют характеристики пластичности металлов.

Показатели пластичности металлов — относительное удлинение и относительное сужение – рассчитывают по результатам замеров образца до и после испытания.

Относительное удлинение δ находится как отношение увеличения длины образца после разрыва к его первоначальной расчетной длине, выраженное в процентах:

, (2.6)

где l_k – длина образца после разрыва, мм;

l₀ – расчетная (начальная) длина образца, мм.

Относительное сужение ψ определяется отношением уменьшения площади поперечного сечения образца после разрыва к первоначальной площади его поперечного сечения, выраженным в процентах:

, (2.7)

где F₀ – начальная площадь поперечного сечения образца;

F_к – площадь поперечного сечения образца в месте разрушения.

Методы определения твердости.Наиболее распространенным методом определения твердости металлических материалов является метод вдавливания, при котором в испытуемую поверхность под действием постоянной статической нагрузки вдавливается другое, более твердое тело (наконечник). На поверхности материала остается отпечаток, по величине которого судят о твердости материала. Показатель твердости характеризует сопротивление материала пластической деформации, как правило, большой, при местном контактном приложении нагрузки.

Твердость определяют на специальных приборах – твердомерах, которые отличаются друг от друга формой, размером и материалом вдавливаемого наконечника, величиной приложенной нагрузки и способом определения числа твердости. Так как для измерения твердости испытывают поверхностные слои металла, то для получения правильного результата поверхность металла не должна иметь наружных дефектов (трещин, крупных царапин и т. д.).

Измерение твердости по Бринеллю. Сущность этого способа заключается в том, что в поверхность испытуемого металла вдавливается стальной закаленный шарик диаметром 10, 5 или 2,5 мм в зависимости от толщины образца под действием нагрузки, которая выбирается в зависимости от предполагаемой твердости испытуемого материала и диаметра наконечника по формулам: Р = 30D 2 ; Р = 10D 2 ;
Р = 2,5D 2 (таблица 2.1).

Таблица 2.1 – Выбор диаметра шарика D и нагрузки Р

На поверхности образца остается отпечаток (рисунок 2.2, а), по диаметру которого определяют твердость. Диаметр отпечатка измеряют специальной лупой с делениями.

Твердость рассчитывают по формуле

, (2.8)

где НВ – твердость по Бринеллю, кгс/мм 2 ;

Р – нагрузка при испытании, кгс или Н;

F – площадь полученного отпечатка, мм 2 ;

D – диаметр наконечника, мм;

d – диаметр отпечатка, мм.

Рисунок 2.2 – Измерение твердости методами Бринелля (а),

Этот способ применяют, главным образом, для измерения твердости незакаленных металлов и сплавов: проката, поковок, отливок и др.

Измерение твердости по Роквеллу. Измерение осуществляют путем вдавливания в испытуемый металл стального шарика диаметром 1,588 мм или алмазного конуса с углом при вершине 120° (см. рисунок 2.2, б).В отличие от метода Бринелля твердость по Роквеллу определяют не по диаметру отпечатка, а по глубине вдавливания наконечника.

Вдавливание производится под действием двух последовательно приложенных нагрузок — предварительной, равной ≈ 100 Н, и окончательной (общей) нагрузки, равной 1400, 500 и 900 Н. Твердость определяют по разности глубин вдавливания отпечатков. Для испытания твердых материалов (например, закаленной стали) необходима нагрузка 1500 Н, а вдавливание стальным шариком нагрузкой 1000 Н производят для определения твердости незакаленной стали, бронзы, латуни и других мягких материалов. Глубина вдавливания измеряется автоматически, а твердость после измерения отсчитывается по трем шкалам: А, В, С (таблица 2.2).

Таблица 2.2 – Наконечники и нагрузки для шкал А, В, С

Твердость (число твердости) по Роквеллу обозначается следующим образом: 90 HRA, 80 HRB, 55 HRC (Н – твердость, Р – Роквелл, А, В, С – шкала твердости, 90, 80, 55 – число твердости в условных единицах).

Определение твердости по Роквеллу имеет широкое применение, так как дает возможность испытывать мягкие и твердые металлы без дополнительных измерений; размер отпечатков очень незначителен, поэтому можно испытывать готовые детали без их порчи.

Измерение твердости по Виккерсу. Данный метод позволяет измерять твердость как мягких, так и очень твердых металлов и сплавов. Он пригоден для определения твердости очень тонких поверхностных слоев (толщиной до 0,3мм). В этом случае в испытуемый образец вдавливается четырехгранная алмазная пирамида с углом при вершине 136 о (см. рисунок 2.2, в). При таких испытаниях применяются нагрузки от 50 до 1200 Н. Измерение отпечатка производят по длине его диагонали, рассматривая отпечаток под микроскопом, входящим в твердомер. Число твердости по Виккерсу, обозначаемое НV, находят по формуле

, (2.9)

d – длина диагонали отпечатка, мм.

На практике число твердости НV находят по специальным таб-лицам.

а
б

а – схема испытания; б – образцы для испытаний.

Рисунок 2.3 – Испытания на ударную вязкость

Ударная вязкость КС (Дж/см 2 ) оценивается работой, затраченной маятником на разрушение стандартного надрезанного образца, отнесенной к сечению образца в месте надреза:

, (2.10)

где А – работа, затраченная на разрушение образца (определяется по разности энергий маятника до и после удара: А₀ – А₁), Дж;

В зависимости от вида надреза в образце ударная вязкость обозначается KCU, KCV, KCТ (третья буква – вид надреза).

Материалы и принадлежности

· Образцы для испытания на растяжение, твердость и ударную вязкость.

· Разрывная испытательная машина.

· Твердомеры Бринелля, Роквелла, Виккерса.

Порядок выполнения работы

Испытания на растяжение

2.3.1.1 Измерить рабочую длину и диаметр образца перед испытанием, записать данные в протокол испытаний.

2.3.1.2 Подготовленный для испытания образец поместить в зажимы машины.

2.3.1.3 Включить электродвигатель.

2.3.1.4 Наблюдать за перемещением стрелки по шкале машины, зафиксировать нагрузку, соответствующую текучести образца, и наибольшую нагрузку, предшествующую разрушению образца, записать в соответствующие графы протокола испытаний.

2.3.1.5 После разрыва образца выключить электродвигатель, обе части образца вынуть из зажимов, снять с диаграммного аппарата часть бумажной ленты с записанной диаграммой.

2.3.1.6 Обе части образца плотно приложить одну к другой, измерить длину и диаметр образца в месте разрыва, записать данные в протокол испытаний.

2.3.1.7 Рассчитать характеристики прочности и пластичности материала, записать полученные данные.

Источник

Характеристики основных механических свойств металлов и сплавов и способы их определения

Любое вещество, будь то газ, жидкость или твердое тело, обладает рядом специфических, только ему присущих свойств. Однако эти свойства позволяют не только индивидуализировать элементы, но и объединять их в группы по принципу схожести.

Посмотрите на металлы: с обывательской точки зрения это блестящие элементы, с высокой электро- и теплопроводностью, не восприимчивые к внешним физическим воздействиям, ковкие и легко свариваемые при высоких температурах. Достаточен ли этот перечень. чтобы объединить металлы в одну группу? Конечно же нет, металлы и их производные (сплавы) гораздо сложнее и обладают целым набором химических, физических, механических и технологических свойств. Сегодня мы поговорим лишь об одной группе: механических свойствах металлов.

Основные механические свойства металлов

Что это за свойства? Под механическими понимают такие свойства субстанции, которые отражают ее умение противостоять действиям извне. Известно девять основных механических свойств металлов:

— Прочность — означает, что приложение статической, динамической или знакопеременной нагрузки не приводит к нарушению внешней и внутренней целостности материала, изменению его строения, формы и размеров.

— Твердость (часто путают с прочностью) — характеризует возможность одного материала противостоять прониканию другого, более твердого предмета.

— Упругость — означает способность к деформированию без нарушения целостности под действием определенных сил и возвращению первоначальной формы после освобождения от нагрузки.

— Пластичность (часто путают с упругостью и наоборот) — также способность к деформации без нарушения целостности, однако в отличие от упругости, пластичность означает, что объект способен сохранить полученную форму.

— Стойкость к трещинам — под воздействием внешних сил (ударов, натяжений и пр.) материал не образует трещин и сохраняет наружную целостность.

— Вязкость или ударная вязкость — антоним ломкости, то есть возможность сохранять целостность материала при возрастающих физических воздействиях.

— Износостойкость — способность к сохранению внутренней и внешней целостности при длительном трении.

— Жаростойкость — длительная возможность противостоять изменению формы, размера и разрушению при воздействии больших температур.

— Усталость — время и количество циклических воздействий, которые материал может выдержать без нарушения целостности.

Часто, говоряо тех или иных свойствах, мы путаем их названия: технологические свойства относим к физическим, физические к механическим и наоборот. И это неудивительно, ведь несмотря на глубинные отличия, лежащие в основе той или иной группы свойств, механические свойства не только крайне тесно связаны с другими характеристиками металлов, но и напрямую зависят от них.

Технологические характеристики

При оценке целесообразности выбора того или иного металла для решения конкретных практических, производственных задач, необходимо учитывать:

Рассматриваемые направления характеризуют поведение уже готовых производственных изделий, товаров в процессе эксплуатации.

Таким образом, металлы – весьма распространенный материал, который активно используется в самых разных областях жизнедеятельности. Это обусловлено широкой вариативностью физических, химических, механических параметров продукции.

Физические свойства металлов

Наиболее взаимозависимы между собой механические и химические свойства металлов, ведь именно химический состав металла или сплава, его внутреннее строение (особенности кристаллической решетки) диктуют все остальные его параметры. Если говорить о механических и физических свойствах металлов, то их чаще других путают между собой, что обусловлено близостью данных определений.

Физические свойства часто неотделимы от механических. К примеру, тугоплавкие металлы еще и самые прочные. Главное же отличие лежит в природе свойств. Физические свойства — те что проявляется в покое, механические — только под воздействием извне. Не хуже других связаны механические и технологические свойства металлов. Например, механическое свойство металла «прочность» может быть результатом его грамотной технологической обработки (с этой целью нередко используют «закалку» и «старение»). Обратная взаимосвязь не менее важна, к примеру, ковкость проявление хорошей ударной вязкости.

Делая вывод, можно сказать, что зная некоторые химические, физические или технологические свойства можно предугадать, как будет вести себя металл под воздействием нагрузки (т.е. механически), и наоборот.

В чем отличия механических свойств металлов и сплавов?

Различаются ли механические свойства металлов и сплавов? Безусловно. Ведь любой металлический сплав изначально создается с целью получения каких-либо конкретных свойств. Некоторые сочетания легирующих элементов и основного металла в сплаве способны мгновенно преобразить легируемый элемент. Так алюминий ( не самый прочный и твердый металл в мире) в сочетании с цинком и магнием образует сплав по прочности сравнимый со сталью. Все это дает практически неограниченные возможности в получении веществ наиболее близких к требуемым.

Отдельное внимание следует уделить механическим свойствам наплавленных металлов. Наплавленным считается металл, с помощью которого производилась сварка двух или более частей какого-то металлического элемента или конструкции. Этот металл словно нитки соединяет разорванные части. От того, как будет вести себя «шов» под нагрузкой, будет зависеть безопасность и надежность всей конструкции. Исходя из этого, крайне важно, чтобы свойства наплавленного металла были не хуже, чем у главного металла.

Что же это такое?

На сегодняшний день известно огромное количество различных металлов. Каждый из них обладает определенными характеристиками, отличающим его от других химических элементов или материалов. Однако существуют определенные признаки, которые однозначно говорят, что мы имеем дело с металлическим компонентом:

Напряжение

Напряжением называется возникновение внутренних сил с различными векторами направленности при внешнем воздействии. Эта величина может быть внутренняя или поверхностная. Является обязательным для расчета при изготовлении несущих стальных конструкций или элементов оборудования, подвергающихся постоянным нагрузкам.

Главным условием для измерения этого показателя является равномерная нагрузка, действующая в определенном направлении. При этом возникает напряженное состояние образца, который подвергается воздействию уравновешенных сил. Помимо этого, воздействие может быть односекторным или много векторным.

Существуют следующие виды напряжения материалов и их сплавов:

Напряжение является отношением силы воздействия на площадь, на которую она прилагается.

Кроме прямого давления на поверхность может наблюдаться касательное. Расчет этого параметра требует более сложных методик.

Скольжение и дислокации.

Процессы скольжения удалось подробнее исследовать на монокристаллах металлов, выращенных в лаборатории. При этом выяснилось не только то, что скольжение происходит в некоторых определенных направлениях и обычно по вполне определенным плоскостям, но и то, что монокристаллы деформируются при очень малых напряжениях. Переход монокристаллов в состояние текучести начинается для алюминия при 1, а для железа – при 15–25 МПа. Теоретически же этот переход в обоих случаях должен происходить при напряжениях ок. 10 000 МПа. Такое расхождение между экспериментальными данными и теоретическими расчетами на протяжении многих лет оставалось важной проблемой. В 1934 Тейлор, Полани и Орован предложили объяснение, основанное на представлении о дефектах кристаллической структуры. Они высказали предположение, что при скольжении сначала происходит смещение в какой-то точке атомной плоскости, которое затем распространяется по кристаллу. Граница между сдвинувшейся и несдвинувшейся областями (рис. 4) представляет собой линейный дефект кристаллической структуры, названный дислокацией (на рисунке эта линия уходит в кристалл перпендикулярно плоскости рисунка). Когда к кристаллу прикладывается напряжение сдвига, дислокация движется, вызывая скольжение по плоскости, в которой она находится. После того как дислокации образовались, они очень легко движутся по кристаллу, чем и объясняется «мягкость» монокристаллов.

В кристаллах металлов обычно имеется множество дислокаций (общая длина дислокаций в одном кубическом сантиметре отожженного металлического кристалла может составлять более 10 км). Но в 1952 научные сотрудники лабораторий корпорации «Белл телефон», испытывая на изгиб очень тонкие нитевидные кристаллы («усы») олова, обнаружили, к своему удивлению, что изгибная прочность таких кристаллов близка к теоретическому значению для совершенных кристаллов. Позднее были обнаружены чрезвычайно прочные нитевидные кристаллы и многих других металлов. Как предполагают, столь высокая прочность обусловлена тем, что в таких кристаллах либо вообще нет дислокаций, либо имеется одна, идущая по всей длине кристалла.

Усталость.

Усталостью называется разрушение конструкции под действием циклических нагрузок. Когда деталь изгибается то в одну, то в другую сторону, ее поверхности поочередно подвергаются то сжатию, то растяжению. При достаточно большом числе циклов нагружения разрушение могут вызывать напряжения, значительно более низкие, чем те, при которых происходит разрушение в случае однократного нагружения. Знакопеременные напряжения вызывают локализованные пластическую деформацию и деформационное упрочнение материала, в результате чего с течением времени возникают малые трещины. Концентрация напряжений вблизи концов таких трещин заставляет их расти. Сначала трещины растут медленно, но по мере уменьшения поперечного сечения, на которое приходится нагрузка, напряжения у концов трещин увеличиваются. При этом трещины растут все быстрее и, наконец, мгновенно распространяются на все сечение детали. См. также

Усталость, несомненно, является самой распространенной причиной выхода конструкций из строя в условиях эксплуатации. Особенно подвержены этому детали машин, работающие в условиях циклического нагружения. В авиастроении усталость оказывается очень важной проблемой из-за вибрации. Во избежание усталостного разрушения приходится часто проверять и заменять детали самолетов и вертолетов.

Твердость.

Твердость материала – это его способность сопротивляться пластической деформации. Поскольку испытания на растяжение требуют дорогостоящего оборудования и больших затрат времени, часто прибегают к более простым испытаниям на твердость. При испытаниях по методам Бринелля и Роквелла в поверхность металла при заданных нагрузке и скорости нагружения вдавливают «индентор» (наконечник, имеющий форму шара или пирамиды). Затем измеряют (часто это делается автоматически) размер отпечатка, и по нему определяют показатель (число) твердости. Чем меньше отпечаток, тем больше твердость. Твердость и предел текучести – это в какой-то мере сравнимые характеристики: обычно при увеличении одной из них увеличивается и другая.

Может сложиться впечатление, что в металлических материалах всегда желательны максимальные предел текучести и твердость. На самом деле это не так, и не только по экономическим соображениям (процессы упрочнения требуют дополнительных затрат).

Во-первых, материалам необходимо придавать форму различных изделий, а это обычно осуществляется с применением процессов (прокатки, штамповки, прессования), в которых важную роль играет пластическая деформация. Даже при обработке на металлорежущем станке очень существенна пластическая деформация. Если твердость материала слишком велика, то для придания ему нужной формы требуются слишком большие силы, вследствие чего режущие инструменты быстро изнашиваются. Такого рода трудности можно уменьшить, обрабатывая металлы при повышенной температуре, когда они становятся мягче. Если же горячая обработка невозможна, то используется отжиг металла (медленные нагрев и охлаждение).

Во-вторых, по мере того как металлический материал становится тверже, он обычно теряет пластичность. Иначе говоря, материал становится хрупким, если его предел текучести столь велик, что пластическая деформация не происходит вплоть до тех напряжений, которые сразу же вызывают разрушение. Конструктору обычно приходится выбирать какие-то промежуточные уровни твердости и пластичности.

Вольфрам

Характеризуется высокой тугоплавкостью, также принадлежит к прочнейшим металлам на планете Земля. Являясь твёрдым элементом бело-серого цвета с характерным блеском, вольфрам высокопрочный, тугоплавкий, устойчив к воздействию кислотной и щелочной среды. Наделен ковкостью, при повышении температур W саморазогревается, а также растягивается в тоненькую нить, используемую в лампах.

Хром – металл бело-голубого цвета. Характеризуется высокой прочностью, твёрдостью, ярко выраженными магнитными свойствами, не подвергается водородному охрупчиванию, стойкий к влиянию кислотной и щелочной среды. Его используют, создавая различные сплавы, а те в свою очередь востребованы для изготовления медоборудования. Кроме того, Cr применяется при синтезе искусственных рубинов, соли хрома четырехвалентного используют для сохранения древесины и дубления кож.

Источник