Свойства металлов и методы их испытаний

Механические свойства определяют поведение материала при деформации и разрушении при действии внешних нагрузок. В зависимости от условий нагружения механические свойства могут определяться при: статическом (нагрузка возрастает медленно и плавно), динамическом (нагрузка имеет ударный характер), переменном или циклическом нагружении (нагрузка многократно изменяется по величине и направлению).

При статическом испытании на растяжение получают характеристики прочности и пластичности (ГОСТ 1497-84).

Прочность – способность материала сопротивляться деформациям и разрушению. Пластичность – способность материала к пластической деформации, т.е. способность получать остаточное изменение формы и размеров без разрушения. Это свойство используют при обработке металлов давлением. Чаще применяют испытания на растяжение, позволяющие по результатам одного опыта установить несколько важных механических характеристик металла или сплава.

Испытания на растяжение. В процессе испытания регистрируется так называемая первичная диаграмма растяжения в координатах нагрузка (Р) – абсолютное удлинение образца (Dl). Для того чтобы исключить влияние размеров и форм испытываемых деталей, испытания проводят на стандартных образцах (ГОСТ 1497-84), имеющих в поперечном сечении форму круга или прямоугольника. Результаты испытаний пересчитывают на относительные величины: прикладываемое усилие в нормальное напряжение (s = Р/F₀); деформацию в относительную деформацию (e = Dl / l₀ ). Где: l₀ – длина образца, а F₀ –площадь его поперечного сечения соответственно. Относительные величины применяют, чтобы охарактеризовать материал, а не образец. В результате испытаний на растяжение строят диаграммы растяжения (рис. 1.15).

До точки А деформация пропорциональна напряжению. Тангенс угла наклона прямой ОА к оси абсцисс характеризует модуль упругости (Е):

Е = s / e .

Модуль упругости определяет жесткость материала, интенсивность увеличения напряжения по мере упругой деформации. Модуль упругости не зависит от структуры металла и определяется силами межатомной связи. Все другие механические свойства являются структурно чувствительными и изменяются в зависимости от структуры (обработки) в широких пределах.

Закон пропорциональности между напряжением и деформацией справедлив в первом приближении. Даже при небольших напряжениях в упругой области наблюдается отклонение от закона пропорциональности (неупругость).

Напряжение, соответствующее точке А, называют пределом пропорциональности (s_пц). Напряжения, не превышающие предела пропорциональности, вызывают только упругие деформации, поэтому s_пц отождествляют с условным пределом упругости, который определяется как напряжение, при котором остаточная деформация равна 0,05% от начальной длины образца:

s_0,05 = Р_0,05/ F₀ .

Наименьшее напряжение, при котором образец деформируется без заметного увеличения растягивающей нагрузки («течет»), называется физическим пределом текучести (s_Т):

s_Т = Р_Т/ F₀ .

Если нет площадки текучести, то определяют условный предел текучести (s_0,2) – напряжение, вызывающее остаточную деформацию, равную 0,2%:

s_0,2 = Р_0,2/ F₀ .

По величине s_0,2 при комнатной температуре различают три класса материалов по прочности (табл. 1.1).

Таблица 1.1

Классификация сплавов по прочности

Дальнейшее повышение нагрузки вызывает более значительную пластическую деформацию во всем объеме металла. Напряжение, отвечающей наибольшей нагрузке, предшествующей разрушению образца, называют временным сопротивлением или пределом прочности:

s_В = Р_max/ F₀.

Кроме того, при испытании на растяжение определяют характеристики пластичности – относительное удлинение и относительно сужение:

d = (l_к - l₀) ∙100/ l₀ , y = (F₀ - F_к) ∙100/ F₀.

Где: l_к - длина образца, а F_к площадь поперечного сечения образца после разрушения соответственно. Условно принято считать металл надежным при δ ³ 15% , y ³ 45%.

Более объективную информацию можно получить, если диаграмму растяжения представить в координатах "S – l" (рис. 1.15,б). Такую диаграмму называют диаграммой истинных напряжений и деформаций. Истинное напряжение S определяется как отношение текущей нагрузки к текущей площади поперечного сечения, которое непрерывно уменьшается в процессе растяжения. Например, истинное сопротивлению отрыву (разрушению) S_к определяется как отношение нагрузки в момент разрушения к минимальной площади поперечного сечения образца в месте разрыва:

S_к = P_к / F_к.

В случае хрупкого разрушения определяют действительное сопротивление отрыву или хрупкую прочность материала. При вязком разрушении, когда образуется шейка, s_B и S_к характеризуют сопротивление значительной пластической деформации, а не сопротивление разрушению.

Кривая 2 на рис. 1.15,а показывает, что в процессе растяжения металл испытывает деформационное упрочнение (наклеп). Если пренебречь упругими деформациями, то коэффициент деформационного упрочнения:

К = [tg a - (S_к - s_0,2)]/ l _к .

Характеристики материалов s_0,2, s_B, d, y, а также E являются базовыми – они включаются в ГОСТ на поставку конструкционных материалов, в паспорта приемочных испытаний, а также входят в расчеты прочности и ресурса.

Испытание на сжатие. Для чугуна, литых алюминиевых сплавов и прочих материалов, хрупких при растяжении, применяют испытания на сжатие. Эти материалы разрушаются при растяжении путем отрыва, при сжатии разрушаются срезом. При испытании определяют предел прочности на сжатие.