Классификация видов разрушения деталей. В практике эксплуатации машин и оборудования встречаются разнообраз­ные повреждения деталей.

Наблюдения за отказами деталей машин в эксплуатации позволяют все виды разрушения материалов деталей разделить на три основные группы:

деформация и изломы; 2) износ; 3) химико-тепловые повреждения.

Деформация и изломы происходят при напряжениях, превышающих предел текучести или предел прочности материала детали.

Изнашивание происходит в результате взаимодействия трущихся тел. Характер трущихся тел и условия их взаимодействия обусловливают особен­ности процесса изнашивания.

Химико-тепловые повреждения - результат комплексного воздействия на рабочие поверхности деталей факторов, среди которых факторы теплового воздействия превалируют.

Деформация и изломы. Деформация материала детали происходит в результате приложения нагрузки и выражается изменением формы и размеров детали.

Эти изменения могут быть временными (упругие деформации, исчезающие после снятия на­грузки), или остаточными (пластические деформации, остающиеся после снятия нагрузки). Повреждения деталей происходят в результате пластической де­формации и выражаются в виде изгибов, вмятин и скручиваний.

При изгибах и вмятинах нарушается геометрическая форма деталей в результате приложения в основном динамических нагрузок.

Скручивание деталей вызывается приложением крутящего момента, превосходящего расчетный.

Излом материала детали также происходит в результате приложения нагрузки и выражается в разрушении детали.

В зависимости от характера нагружения рассматривают статический, ди­намический и усталостный изломы.

Статический излом является результатом воздействия значи­тельных местных нагрузок. Чаще всего он наблюдается в наиболее нагруженных местах в деталях корпусов в виде трещин, особенно в деталях, изготовленных из чугуна.

Динамический излом является следствием сильных поверхност­ных ударов и часто наблюдается на литых деталях.

Хрупкий излом характеризуется полным отсутствием или весьма незначительной величиной пластических деформаций. Причинами хрупкого излома чаще всего служат хладноломкость материала детали, наличие концентраторов напряжений в опасном сечении и мгновенное приложение нагрузки.

Вязкий излом обусловлен наличием макропластической деформации. Разрушение материала детали при вязком изломе - результат резкого возрастания приложенной статической нагрузки. Вязкий излом появляется в результате превышения предела текучести материала детали.

Однако наиболее часто причиной выхода детали из строя является усталостный излом, в основе которого лежит явление усталости, т.е. разрушение материала под влиянием циклических напряжений, действующих в течение определенного времени. Свойство материала детали, характеризующей ее способность сопротивляться усталостному разрушению, называют выносливостью. Установлено, что усталостные изломы возникают при напряжениях ниже предела текучести. Процесс начинается с зарождения усталостной трещины, появлению которой способствует наличие концентратора напряжений или какого-либо микродефекта в опасном сечении детали. Возникнув, усталостная трещина под действием циклической нагрузки распространяется в глубь детали, что приводит в конечном итоге к ее разрушению. Практика показала, что разрушение вооружения шарошек буровых долот начинается с появления усталостных трещин.

Износ. Износ деталей - основной дефект, приводящий к выходу машин из строя Другие виды повреждений деталей менее распространены в эксплуатации бурового и нефтегазопромыслового оборудования. Поэтому всестороннее изучение явлений изнашивания и их причин чрезвычайно важно.

Трение - сопротивление, возникающее при взаимном перемещении соприкасающихся поверхностей тел.

В зависимости от кинематических признаков относительного перемещения тел чаще всего встречаются два вида трения: трение скольжения и трение качения.

В зависимости от состояния трущихся поверхностей различают:

Трение без смазки - трение двух твердых тел при отсутствии на поверхности трения введенного смазочного материала всех видов;

Граничное трение - тре­ние двух твердых тел при наличии на поверхности трения слоя жидкости, обладающего свойствами, отличающи­мися от объемных;

Жидкостноетрение-явление сопротивления относительному перемещению, возникающее между двумя телами, разделенными слоем жидкости, в котором проявляются ее объемные свойства.

На процессы трения влияют механические, физико-химические, тепловые и электрические факторы. Различное сочетание этих факторов приводит к многообразию видов изнашивания.

Изнашивание - процесс постепенного изменения размеров тела при тре­нии, проявляющийся в отделении с поверхности трения материала и (или) его остаточной деформации.

Износ - результат изнашивания, проявляющегося в виде отделения или остаточной деформации материала.

Гидродинамическое давление смазки, развивающееся вследствие движения ее в пространстве между цапфой и подшипником, уравновешивает внешнее давление на цапфу. Поскольку площади поперечных сечений этого простран­ства в радиальном направлении различны, щель приобретает форму клина.

При движении смазки отдельные ее слои перемещаются с различными ско­ростями по отношению друг к другу, поэтому возникает жидкостное трение.

Закон жидкостного трения можно представить следующей формулой:

где F - сопротивление трения, кгс; µ - абсолютная вязкость смазки, кгс с/м 2 ; Q - площадь трущихся поверхностей, м 2 ; v - относительная скорость скольжения, м/с; h - толщина слоя смазки, м.

На основе этого закона и ряда экспериментов получена формула, устана­вливающая условия, при которых обеспечивается всплывание цапфы:

h=
(3.2)

где h min - толщина слоя масла в самом тонком месте, мм; п - частота враще­ния вала, об/мин; d - диаметр цапфы, мм; I - длина цапфы, мм; S - наиболь­ший зазор в состоянии покоя, мм;

Для нормальной работы деталей, как это следует из формулы (3.2), главное значение имеют величина первоначального зазора и качество смазки. Осуществить постоянство условий для обеспечения жидкостного трения невозможно, так как при запуске машины цапфа переходит из нижнего положения в верхнее; при полужидкостном трении, что приводит к изнашиванию сопряженной пары. Такое же положение возникает при изменениях режима работы машины и ocoбенно при ее перегрузке, когда снижается скорость вращения

Классификация видов изнашивания. Механическое изнашивание - изнашивание в результате механических воздействий. В свою очередь механическое изнашивание подразделяется на: абразивное, гидроабразивное, газоабразивное, эрозионное, усталостное и кавитационное.

Абразивное изнашива­ние механическое изнашивание материала в результате режущего или царапающего действия твердых тел или частиц.

Очень опасен износ поверхностей твердыми подвижными частицами, по­падающими между трущимися поверх­ностями (например, с загрязненной смазкой). Абразивное изнашивание по­верхности деталей происходит при бу­рении скважин, резании грунтов, дроблении камня, перемешивании твер­дых смесей, а также при буксовании колеса по поверхности дороги.

Абразивная эрозия, гидро- и газоабразивное изнашивание - основной вид изнашивания деталей насосов, трубопроводов, арматуры, дымососов, вен­тиляторов, эжекторов, пескоструйных аппаратов в результате воздействия твердых тел или частиц, увлекаемых по­током жидкости или газа.

При усталостном изнашивании поверхности трения илиотдельных ее участков повторное деформирование микрообъемов материала приводит к возникновению трещин и отделению частиц. Это особенно проявляется при трении качения: шарик или ролик, перемещаясь по поверхности кольца подшипника, гонит перед собой волну сжатия материала, а сзади создает зону растяжения. Многократно повторяющиеся знакопеременные нагрузки вызывают явления контактной усталости.

Усталостное изнашивание часто является одной из причин выхода из строя основнойопоры вертлюга, основной и вспомогательной опор ротора, шестерен бурового насоса иротора, а также элементов подшипников скольжения, в ко­торых выкрашивается антифрикционный слой баббитовых и бронзовых вкла­дышей.

Кавитационное изнашивание поверхности происходит при относительном движении твердого тела в жидкости в условиях кавитации.

При неправильно выбранном режиме работы гидравлической машины в потоке жидкости могут образоваться пузырьки пара или газа, ликвидация которых происходит бурно с гидравлическими ударами. Кавитационное изнашивание во много раз активнее других видов изнашивания.

Факторы, влияющие на изнашивание деталей. На процесс изнашивания рабочих поверхностей деталей машин оказывают влияние различных факторов, которые можно разделить на две группы:

1) факторы, влияющие на износостойкость деталей;

2) факторы, влияющие на изнашиваемость деталей.

Под изнашиваемостью в данном случае подразумевается свойство мате­риала детали поддаваться изнашиванию. Изнашиваемость есть свойство, противоположное износостойкости.

Факторы, влияющие на износостойкость деталей: качество ма­териала детали и качество рабочей поверхности детали.

К факторам, влияющим на изнашиваемость деталей, относятся: вид трения сопряженных деталей; характер и величина удельных нагрузок на поверхностях трения; относительные скорости перемещения трущихся по­верхностей; форма и размер зазора между сопряженными поверхностями; усло­вия смазки трущихся поверхностей; наличие, размер и форма абразива, участ­вующего в процессе трения, и физико-механические свойства абразива.

Качество материала детали характеризуется его физико-механическими свойствами (прочностью, твердостью, вязкостью), которые в свою очередь определяются химическим составом и структурой.

Из физико-механических свойств, твердость оказывает наибольшее влияние на износостойкость материала. Более твердые металлы и сплавы изнашиваются медленнее. Твердые металлы по сравнению с мягкими менее пластичны и ока­зывают большее сопротивление внедрению абразивных частиц. Исследования показали, что с увеличением твердости стали ее износостойкость повышается.

При выборе материала для деталей, работающих при ударной нагрузке, кроме твердости, следует учитывать еще их вязкость во избежание повышения хрупкости. Детали, изготовленные из малоуглеродистых конструкционных или легированных сталей и подвергнутые поверхностной химико-термической обработке, имеют высокую твердость и износостойкость рабочих поверхностей, а также высокую вязкость сердцевины.

На износостойкость металлов и сплавов большое влияние оказывает их химический состав и структура.

Наиболее износостойкий сплав - сталь, имеющая мелкозернистую струк­туру. Чем выше содержание углерода в стали, тем больше ее износостойкость. Введением в сталь добавок кремния, марганца, хрома, никеля, вольфрама и молибдена повышается ее износостойкость, благодаря образованию химиче­ских соединений легирующих элементов с углеродом и твердых растворов с железом, обладающих весьма высокой твердостью. Перечисленные легирующие элементы при термической обработке обеспечивают получение мелкозернистой структуры.

На износостойкость чугуна оказывает значительное влияние структура основы: серые чугуны с перлитной структурой изнашиваются в 1,5-2 раза меньше, чем чугуны с ферритной структурой. Большое влияние оказывает также форма и характер распределения графитовых включений, являющихся более слабой составляющей структуры, и снижающих износостойкость чугуна. Износостойкость серого чугуна возрастает с повышением содержания связанного углерода. Легирующие присадки - никель, хром, молибден (с последующей термической обработкой) - повышают прочность и износостойкость чугунных деталей. Наиболее износостойкими считаются чугуны с содержанием никеля 1,2-1,5% и хрома 0,4-0,5%. Увеличение износостойкости деталей из легированных чугунов наблюдается также при поверхностной закалке их paбочих поверхностей нагревом токами высокой частоты, а также при использовании азотирования. Так, износостойкость азотированных гильз ДВС в 2-2,5 раза выше износостойкости гильз, изготовленных из хромистого чугуна.

Следующим важным фактором, влияющим на износостойкость деталей машин, является качество поверхности трения после механиче­ской обработки. Качество обработанной поверхности характеризуется совокупностью геометрических параметров и физико-механических свойств по­верхностного слоя материала.

К геометрическим параметрам относятся макрогеометрия, волнистость, шероховатость и направление штрихов (рисок), т.е. следов обработки поверхности.

Физико-механические свойства обусловливаются структурой, микротвердостью, величиной наклепа, видом остаточных напряжений, харак­тером взаимодействия со смазкой и т.д.

Литература: 1 осн. , 3 осн. , 7 доп.

Контрольные вопросы:

1. Каковы причины появления естественного износа?

2. Чем отличаются друг от друга виды трения?

3. Что такое усталостное разрушение?

4. Какие методы повышения долговечности деталей существуют?

123. Способность материалов сопротивляться деформации в поверхностных слоях при местном контактном воздействии. твердость.

124. Способность материалов сопротивляться деформации и разрушению под воздействием различного рода нагрузок относят к твердость

125. Процесс постепенного накопления в металле повреждений под воздействием длительных переменных напряжений. Усталость.

126. Механические испытания, в которых нагрузки, подаваемые на образец, плавно нарастают и относительно долго выдерживаются, называют статистические.

127. Механические испытания, в которых нагрузки, подаваемые на образец, являются кратковременными, называют динамические.

128. Механические испытания, в которых нагрузки, подаваемые на образец, носят продолжительный характер и могут изменяться со временем по некоторому закону, называют циклические.

129. Какие из перечисленных свойств материалов относят к механическим? Прочность, высокая пластичность, вязкость, относительно высокая твердость.

130. Какие из перечисленных свойств материалов относят к технологическим? Деформируемость, свариваемость, жидкотекучесть.

131. Какие из перечисленных свойств материалов относят к эксплуатационным? Износостойкость, жаропрочность.

132 . Какие из перечисленных свойств материалов определяют в статических механических испытаниях? Одноосное растяжение, твердость.

133. Какие из перечисленных свойств материалов определяют в динамических механических испытаниях? Ударная вязкость.

134. Какие из перечисленных свойств материалов определяют в циклических механических испытаниях? Испытания на усталость и ползучесть металлов.

135. Температура, при охлаждении до которой у материала резко уменьшается величина ударной вязкости. Порог хладноломкости.

136. Отношение работы разрушения стандартного образца материала к площади его поперечного сечения. Ударная вязкость материала.

137. Явление, заключающееся в том, что металл пластически деформируется при небольших (ниже предела текучести), но продолжительных напряжениях. Ползучесть.

138. Процесс постепенного накопления в металле повреждений (микротрещин) под воздействием длительных переменных напряжений. Усталость.

139. Свойство, определяемое путём разрушения стандартного образца материала одним ударом маятникового копра. Ударная вязкость.

140. Изменение размера и формы образца (без его разрушения) под воздействием внешней нагрузки. Деформация.

141. Свойство, определяемое путём внедрения в поверхность испытуемого материала того или иного наконечника (индентора). твердость.

142. Деформация материала может быть упругой и пластической.

143. Если после снятия внешней нагрузки деформация исчезает, её считают упругой.

144. Если после снятия внешней нагрузки деформация остаётся, её считают пластической.

145. В методе определения твёрдости по Бринеллю в качестве наконечника (индентора) используется стальной шарик.

146. В методе определения твёрдости по Роквеллу в качестве наконечника (индентора) используется алмазный конус (120 0) или стальной шарик.

147. В методе определения твёрдости по Виккерсу в качестве наконечника (индентора) используется четырехгранная алмазная пирамида (136 0)

148. Когда определяют микротвёрдость материала в качестве наконечника (индентора) используют правильная алмазная пирамида (136 0)

149. Какой диаметр может иметь стальной закалённый шарик, используемый в качестве индентора при определении твёрдости материалов?1,5;2,5;5;10 мм.

150. От чего зависит диаметр стального закалённого шарика, используемого в качестве индентора при определении твёрдости материалов? От материала, твердости и толщины.

151. Что используют в качестве критерия, когда выбирают тип наконечника (индентора) при определении твёрдости по методу Роквелла? Толщина, твердость.

152 . Критерием для оценки величины твёрдости по Бринеллю является величина поверхности отпечатка.

153. Число твёрдости по Бринеллю определяют как отношение нагрузки к поверхности отпечатка.

154. Величина твёрдости по Бринеллю имеет размерность HB.

155. Величина твёрдости по Роквеллу имеет размерность HRA, YRB, HRC.

156. Величина твёрдости по Виккерсу имеет размерность HV.

157. Критерием для оценки величины твёрдости по Роквеллу является глубина отпечатка.

158. Какие из перечисленных единиц измерения могут быть использованы для характеристики твёрдости материала? Па

160. Какая предельная величина твёрдости материала допустима при определении её методом Бринелля? 250 НВ.

161. При определении твёрдости методом Роквелла по шкале В величина нагрузки, подаваемой на индентор, равна 100 кгс.

162. При определении твёрдости методом Роквелла по шкале С величина нагрузки, подаваемой на индентор, равна 150 кгс.

163. Величина твёрдости по Роквеллу обратно пропорциональна глубине отпечатка.

164. Как обозначают величину твердости, если она определена методом Роквелла при вдавливании в образец алмазного конуса под нагрузкой 150 кгс? НRC.

165. Как обозначают величину твердости, измеренную методом Виккерса? HV.

166. Способность материалов испытывать значительную пластическую деформацию перед разрушением называютвязкость.

167. Испытания материалов на одноосное растяжение относятся к статистическим испытаниям.

168. В каких единицах измеряют механическое напряжение, возникающее в образце при его растяжении? МПа

169. При испытании материалов на одноосное растяжение, в каких единицах измеряют удлинение образца? %

170. График зависимости напряжения, возникающего в образце, от его относительного удлинения при испытаниях материалов на одноосное растяжение. Диаграмма растяжения материала.

171. Напряжение, при котором наряду с упругой деформацией материала появляется пластическая деформация. Предел текучести.

172. Напряжение, при котором остаточная пластическая деформация образца составляет 0,2%. Условный предел текучести.

173. Максимальное напряжение в образце, измеряемое при испытаниях материалов на одноосное растяжение. Предел прочности материала.

174. Коэффициент пропорциональности между напряжением, возникающем в образце, и его относительным удлинением. Модуль упругости.

175. Пластичность материала оценивают по максимальному удлинению.

176 . Прочность материала оценивают по пределу прочности материала.

177. Вязкость материала оценивают по площади диаграммы .

177. Жёсткость материала оценивают по углу наклона линейного участка.

178. Смещение атомов на сравнительно небольшое расстояние относительно своего положения равновесия наблюдается при упругой деформации.

179. Сдвиг атомных слоёв относительно друг друга наблюдается при пластической деформации.

180. Какие из дефектов структуры играют наиболее заметную роль в механизме сдвига атомных слоёв относительно друг друга? Дислокации.

181. Переход пластически деформированного металла в более равновесное состояние при нагреве. Возврат (отдых).

182. Явление, состоящее в том, что металл при пластической деформации становится более прочным, но менее пластичным. наклеп

183. Движение дислокаций под воздействием внутренних напряжений в материале приводит к поэтапному сдвигу атомных плоскостей.

184. Процесс, приводящий к тому, что твёрдость и прочность пластически деформированного металла уменьшаются, а пластичность возрастает и приобретает значение близкое к значению до деформации. Рекристаллизация.

185. Какие из перечисленных величин при увеличении степени пластической деформации возрастают? Предел текучести, предел прочности, плотность дислокаций.

186. Какие из перечисленных величин при увеличении степени пластической деформации уменьшаются? Пластичность.

187. В деформированных металлах и сплавах величина плотности дислокаций достигает значений порядка 10 12

188. Какому виду разрушения свойственна большая работа разрушения материала? вязкому

189. Вид разрушения материала можно определить по работе разрушения, виде трещины, скорости распространения, характеру поверхностного излома.

190. Матовая поверхность излома, обнаруживающая под микроскопом волокнистую структуру, свидетельствует о вязком разрушении материала

191. Блестящая поверхность излома, обнаруживающая под микроскопом платообразную структуру, свидетельствует о хрупком разрушении материала

192. Хрупкому разрушению материала соответствует меньшая работа и угол, самопроизвольная скорость, платообразная структура, блестящая поверхность.

193. Вязкому разрушению материала соответствует большая работа и угол, скорость зависит от скорости действия, волокнистая структура, матовая поверхность.

Тема 5. Стали и чугуны

194. Однородная часть сплава, обладающая собственной структурой, свойствами и отделённая от других аналогичных частей сплава поверхностью раздела или иначе границей. Фаза сплава.

195. Каждая точка диаграммы состояния сплава отражает его фазовый состав.

196. Совокупность точек, отражающих температуры начала процесса кристаллизации (завершения плавления) для сплавов различного состава образует на диаграмме состояния линию ликвидус.

197. График зависимости температуры остывающего сплава от времени. Кривая охлаждения.

198. Диаграмма состояния сплава это график зависимости фазового состава от температуры, давления и химического состава.

199. Основным условием неограниченной растворимости компонентов друг в друге в твёрдом состоянии является один тип кристаллической структуры, близкий атомный радиус, близкие химические свойства.

200. Совокупность точек, отражающих температуры начала процесса плавления (завершения кристаллизации) для сплавов различного состава образует на диаграмме состояния линию солидус.

201. Стали отличаются от чугунов содержанием углерода.

202. Стали получают в сталеплавильных агрегатах из белого заэвтектического чугуна.

203. Какие из перечисленных примесей не являются вредными в сталях? Углерод, медь, хром, кремний, марганец, никель

204. Какие из перечисленных элементов относятся к числу постоянных вредных примесей в сталях и чугунах? Сера, фосфор, азот, водород, кислород.

205 . Механическая смесь двух или более твёрдых фаз, которая образуется при постоянной температуре из жидкой фазы.Эвтектика.

206. Химическое соединение железа с углеродом. Цементит.

207. Твёрдый раствор внедрения углерода в α – Fe. феррит

208. Твёрдый раствор внедрения углерода в γ – Fe. Аустенит.

209. Механическая смесь аустенита с цементитом. Лидабурит.

210. Механическая смесь феррита с цементитом. Перлит.

211. Содержание углерода в доэвтектоидной стали составляет 0,02-0,8%

212. Содержание углерода в заэвтектоидной стали составляет 0,8-2,14%

213. Эвтектоид отличается от эвтектики только тем, что образуется из твердой фазы.

214. Содержание углерода в перлите составляет 0,8%

215. Максимальное содержание углерода в феррите наблюдается при температуре 727°С и составляет 0,02%

216. Максимальное содержание углерода в аустените достигает 2,14% и наблюдается при температуре 1147 0 С.

217. Содержание углерода в аустените при температуре 727°С составляет 0,8%

218. Цементит представляет собой химическое соединение железа с углеродом

219. Аустенит представляет собой твердый раствор внедрения углерода в γ – Fe

220. Перлит представляет собой механическая смесь феррита с цементитом

221. Ледебурит представляет собой механическая смесь аустенита с цементитом

222. Цементит, образующийся из аустенита в результате снижения растворимости в нём углерода с понижением температуры, называют вторичным.

223. Цементит, образующийся из феррита в результате снижения растворимости в нём углерода с понижением температуры, называют третичным.

224. Цементит, образующийся из жидкого расплава в процессе его кристаллизации, называют первичным.

225. Структурными составляющими доэвтектоидных сталей являются феррит и перлит.

226. Структурными составляющими заэвтектоидных сталей являются перлит и вторичный цементит.

227. Структурными составляющими эвтектоидных сталей являются перлит

228. Качество сталей определяется содержанием вредных примесей.

229. Операцию раскисления сталей проводят с целью удаление из стали лишнего кислорода.

230. Для раскисления сталей в жидкий расплав подают марганец, кремний, алюминий.

231. Буквы «кп», «пс» в конце марки углеродистой стали обозначают степень раскисления сталей.

232. Цифры в начале марки качественной углеродистой стали указывают среднее содержание углерода в десятых долях процента.

233. Если вначале марки стали стоит буква «У», это означает, что сталь углеродистая.

234. Наличие буквы «Г» в марке углеродистой стали означает, что сталь содержит марганец.

235. Буква «А» в конце марки сталей означает, что сталь высококачественная.

236. Графитные включения хлопьевидной формы наблюдаются в ковких чугунах.

237. Какую форму имеют графитные включения в ковких чугунах? Хлопьевидную.

238. Какую форму имеют графитные включения в серых чугунах? Пластинчатую.

239. Какую форму имеют графитные включения в высокопрочных чугунах? Шаровидную.

240. Если углерод в чугуне находится в связанном состоянии (в виде цементита), то такой чугун считается метастабильным.

241 . Какие из названных чугунов имеют наибольшую твёрдость? Белые чугуны.

242. Повышенная скорость охлаждения жидкого расплава приводит к формированию белых доэвтектических чугунов.

243. Какие из перечисленных примесей способствуют образованию графитных включений в чугунах?углерод

244. Сталь 40Х является хромистой сталью.

245. Сталь 40Х содержит 0,4% углерода и хром.

246. Буква «Н» в марке легированной стали означает никель.

247. Буква «С» в марке легированной стали означает наличие в сплаве кремний.

248. Буква «М» в марке легированной стали означает наличие в сплаве молибден.

249. Сталь ХВГ является легированной сталью повышенной прокаливаемости, не обладающей теплостойкостью.

250. Содержание углерода в стали ХВГ составляет 0,95-1%

Глава XIV
ДЕФОРМАЦИИ И НАПРЯЖЕНИЯ ПРИ СВАРКЕ

§ 72. Механические свойства металлов и сплавов

Металлы в отличие от неметаллов имеют следующие характерные признаки: внешний блеск, хорошую проводимость теплоты и электрического тока, достаточно высокую прочность, хорошую ковкость и свариваемость, кристаллическое строение тела, определенную температуру плавления и кристаллизации.
Металлы и сплавы классифицируют по числу, содержанию и характеру легирующих компонентов и по степени чистоты. Компонентом называют химический элемент, входящий в состав металла или сплава. Компоненты подразделяют на основные и легирующие. Основным называют компонент, который преобладает в металле или сплаве, легирующим - компонент, вводимый в состав сплава для получения необходимых свойств.
По числу компонентов металлы разделяют на простые металлы и металлические сплавы. Простым металлом называют металл, не содержащий в себе легирующих компонентов, металлическим сплавом называют сложное кристаллическое вещество, в составе которого имеется несколько металлов и металлоидов. Сплавы бывают двух-, трех- и более компонентными.
По содержанию легирующих компонентов сплавы делят на низко-, средне- и высоколегированные. Низколегированным называют сплав, содержащий в своем составе легирующих компонентов менее 2,5%, среднелегированным - 2,5-10%, высоколегированным - более 10%.
По степени чистоты металлы и сплавы делят на металлы пониженной, средней, повышенной, высокой чистоты и особо чистые.
К механическим свойствам металлов и сплавов относятся: прочность, твердость, упругость, пластичность, ударная вязкость, ползучесть и усталость.

Рис. 76. Виды нагрузок, вызывающих изменение формы металла или cплава

Прочность - это способность металла или сплава противостоять деформации и разрушению под действием приложенных нагрузок - растягивающих, сжимающих, изгибающих, скручивающих и срезающих (рис. 76). Нагрузки бывают внешними (вес, давление и др.) и внутренними (изменение размеров тела от нагревания и охлаждения, изменение структуры металла и т. д.), а также статическими, т. е. постоянными по величине и направлению действия, или динамическими, т. е. переменными по величине, направлению и продолжительности действия. Методы определения прочности рассмотрены отдельно.
Твердостью называется способность металла или сплава оказывать сопротивление проникновению в него другого, более твердого тела. Применяют следующие способы испытания твердости металлов и сплавов вдавливанием в поверхность образца:
стального закаленного шарика диаметром 2,5; 5 или 10 мм - определение твердости по Бринеллю;
стального закаленного шарика диаметром 1,588 мм или алмазного конуса с углом 120° - определение твердости по Роквеллу;
правильной четырехгранной алмазной пирамиды – определение твердости по Виккерсу.
Упругостью называется способность металла или сплава восстанавливать первоначальную форму после прекращения действия внешней нагрузки (рис. 77).

Рис. 77. Деформация, характеризующая упругость (после снятия нагрузки образец возвращается в исходное положение)

Пластичностью называется способность металла или сплава, не разрушаясь, изменять форму под действием нагрузки и сохранять эту форму после ее снятия.
Ударной вязкостью называется способность металла или сплава сопротивляться действию ударных нагрузок. Ударная вязкость измеряется в кгс м/см 2 (Дж/м 2).
Ползучестью называется свойство металла или сплава медленно и непрерывно пластически деформироваться под действием постоянной нагрузки (особенно при повышенных температурах).
Усталостью называется постепенное разрушение металла или сплава при большом числе повторно-переменных нагрузок; свойство выдерживать эти нагрузки называется выносливостью.
Испытания образцов металлов и сплавов на растяжение. При испытании образцов на растяжение определяют предел прочности (временное сопротивление) σв, предел текучести (физический) σ т, предел текучести условный (технический) σ 0,2 , предел пропорциональности σпц, истинное сопротивление разрыву S к и относительное удлинение и сужение δ, φ.

Рис. 78. Диаграмма растяжения (зависимость удлинения ∆l от нагрузки Р)

Рассмотрим показанную на рис. 78 диаграмму, на которой по вертикальной оси отложена приложенная нагрузка Р в килограммах (чем выше точка по оси, тем больше нагрузка), а по горизонтальной оси - абсолютное удлинение ∆l образца. Такие диаграммы строят по результатам растяжения образцов на специальных испытательных разрывных машинах. Полученная кривая позволяет судить о прочности образца на растяжение.
Начальный прямолинейный участок 0-Р пц характеризует упругость образца, пропорциональность между удлинением материала и нагрузкой (Р пц - нагрузка при пределе пропорциональности).
Точка Р׳ т резкого перегиба кривой определяет величину нагрузки при верхнем пределе текучести. Участок Р׳ т -Р т (площадка текучести), параллельный горизонтальной оси 0-∆l, в пределах которого образец удлиняется при постоянной внешней нагрузке.
Точка Р в отмечает наибольшую растягивающую силу - нагрузку при пределе прочности, по которой рассчитывают предел прочности материала образца.
Точка Р к определяет величину растягивающей силы в момент разрушения образца.
Предел прочности при растяжении (временное сопротивление) - это напряжение, отвечающее наибольшей нагрузке, предшествовавшей разрушению образца: σ в =P в /F 0 , где F 0 - площадь поперечного сечения образца перед испытанием, мм 2 (м 2); Р в - наибольшая растягивающая сила, кгс (Н).
Предел текучести (физический) - это наименьшее напряжение, при котором происходит деформация испытуемого образца без увеличения нагрузки (нагрузка не увеличивается, а образец удлиняется): σт=P т /F 0 , где Р т – нагрузка растяжения, вызывающая удлинение образца на площадке текучести, кгс (Н).
Предел текучести условный (технический) σ 0,2 – это напряжение, при котором остаточная деформация образца достигает 0,2%: σ 0,2 = Р׳ т /F 0 , где Р т - нагрузка растяжения в начале площадки текучести, кгс (Н).
Предел пропорциональности σ пц - условное напряжение, при котором отступление от линейной зависимости между напряжениями и деформациями достигает определенной степени, устанавливаемой техническими условиями: σ пц =Р пц /F 0 , где Р пц - нагрузка в конце площадки упругости, кгс (Н).
Истинное сопротивление разрыву - это напряжение в шейке растягиваемого образца, определяемое как отношение растягивающей силы, действующей на образец непосредственно перед его разрывом, к площади поперечного сечения образца в шейке: Sк=P к /F, где Р к - нагрузка в момент разрыва образца, кгс (Н); F - истинное сечение образца в момент разрыва, мм 2 (м 2).
Относительное удлинение δ и относительное сужение – φ определяются по формулам: δ=∆l/l 0 ∙100%, φ=(F 0 -F)/F∙100%, где ∆l=l 1 -l 0 - абсолютное удлинение образца при разрыве; l 1 - длина образца в момент разрыва; l 0 - первоначальная длина образца; F 0 – первоначальная площадь поперечного сечения образца; F - площадь образца после разрыва.

К основным механическим свойствам относят прочность, пластичность, твердость, ударную вязкость и упругость. Большинство показателей механических свойств определяют экспериментально растяжением стандартных образцов на испытательных машинах.

Прочность - способность металла сопротивляться разрушению при действии на него внешних сил.

Пластичность - способность металла необратимо изменять свою форму и размеры под действием внешних и внутренних сил без разрушения.

Твердость - способность металла сопротивляться внедрению в него более твердого тела. Твердость определяют с помощью твердомеров внедрением стального закаленного шарика в металл (на приборе Бринелля) или внедрением алмазной пирамиды в хорошо подготовленную поверхность образца (на приборе Роквелла). Чем меньше размер отпечатка, тем больше твердость испытуемого металла. Например, углеродистая сталь до закалки имеет твердость 100 . . . 150 НВ (по Бринеллю) , а после закалки - 500 . . . 600 НВ.

Ударная вязкость - способность металла сопротивляться действию ударных нагрузок. Эта величина, обозначаемая КС (Дж/см 2 или кгс м/см), определяется отношением механической работы А, затраченной на разрушение образца при ударном изгибе, к площади поперечного сечения образца.

Упругость - способность металла восстанавливать форму и объем после прекращения действий внешних сил. Эта величина характеризуется модулем упругости Е (МПа или кгс/мм 2), который равен отношению напряжения а к вызванной им упругой деформации . Высокой упругостью должны обладать стали и сплавы для изготовления рессор и пружин.

Механические свойства металлов

Под механическими свойствами понимают характеристики, определяющие поведение металла (или другого материала) под действием приложенных внешних механических сил. К механическим свойствам обычно относят сопротивление металла (сплава) деформации (прочность) и сопротивление разрушению (пластичность, вязкость, а также способность металла не разрушаться при наличии трещин).

В результате механических испытаний получают числовые значения механических свойств, т. е. значения напряжений или деформаций, при которых происходят изменения физического и механического состояний материала.

Оценка свойств

При оценке механических свойств металлических материалов различают несколько групп их критериев.

1. Критерии, определяемые независимо от конструктивных особенностей и характера службы изделий. Эти критерии находятся путем стандартных испытаний гладких образцов на растяжение, сжатие, изгиб, твердость (статические испытания) или на ударный изгиб образцов с надрезом (динамические испытания).
2. Прочностные и пластические свойства, определяемые при статических испытаниях на гладких образцах хотя и имеют важное значение (они входят в расчетные формулы) во многих случаях не характеризуют прочность этих материалов в реальных условиях эксплуатации деталей машин и сооружений. Они могут быть использованы только для ограниченного числа простых по форме изделий, работающих в условиях статической нагрузки при температурах, близких к нормальной.
3. Критерии оценки конструктивной прочности материала, которые находятся в наибольшей корреляции со служебными свойствами данного изделия и характеризуют работоспособность материала в условиях эксплуатации.

Конструкторская прочность металлов

Критерии конструктивной прочности металлических материалов можно разделить на две группы:

• критерии, определяющие надежность металлических материалов против внезапных разрушений (вязкость разрушения, работа, поглощаемая при распространении трещин, живучесть и др.). В основе этих методик, использующих основные положения механики разрушения, лежат статические или динамические испытания образцов с острыми трещинами, которые имеют место в реальных деталях машин и конструкциях в условиях эксплуатации (надрезы, сквозные отверстия, неметаллические включения, микропустоты и т. д.). Трещины и микронесплошности сильно меняют поведение металла под нагрузкой, так как являются концентраторами напряжений;
• критерии, которые определяют долговечность изделий (сопротивление усталости, износостойкость, сопротивление коррозии и т. д.).

Критерии оценки

Критерии оценки прочности конструкции в целом (конструкционной прочности), определяемые при стендовых, натурных и эксплуатационных испытаниях. При этих испытаниях выявляется влияние на прочность и долговечность конструкции таких факторов, как распределение и величина остаточных напряжений , дефектов технологии изготовления и конструирования металлоизделий и т. д.

Для решения практических задач металловедения необходимо определять как стандартные механические свойства, так и критерии конструктивной прочности.

О свойствах металлов часто судят только по их твердости, пределу прочности и относительному удлинению. Исходя только из этих параметров делают выводы о возможностях металла или сравнивают разные сплавы. На самом деле этой информации абсолютно недостаточно для решения вопроса о пригодности материала для конкретной задачи. Кроме упомянутых параметров применяемость металлов и сплавов определяют а) конструкционная прочность, б) степень проявления неупругих явлений, в) износостойкость, г) устойчивость к коррозии и многие другие.

На этой странице мы выясним, что именно определяют наиболее распространенные параметры механических свойств и рассмотрим основные показатели конструкционной прочности. На других страницах рассмотрены вопросы износостойкости и коррозионной стойкости .

Содержание:

1. Упругие и пластические деформации

2. Показатели упругого и пластического состояний

2.1. пределы пропорциональности, упругости и текучести

2.2. характеристики упругого состояния

2.3. предел прочности

2.4. пластичность и вязкость

2.5. твердость

3. Показатели конструкционной прочности

3.1. трещиностойкость

3.2. усталостная прочность

3.3. ударная вязкость

3.4. пределы ползучести и длительной прочности

1. УПРУГИЕ И ПЛАСТИЧЕСКИЕ ДЕФОРМАЦИИ

Механические свойства металлов и сплавов определяются тем, как они воспринимают внешние нагрузки, т.е. сопротивляются деформированию и разрушению. При их деформировании наблюдается два различных вида деформаций – упругие и пластические, – которые отличаются и внешними проявлениями и внутренними механизмами. Понятно, что свойства, определяющие упругое и пластическое состояние металлов, должны описываться разными характеристиками.

Упругие деформации происходят за счет изменения межатомных расстояний, они не изменяют структуру металла, его свойства и являются обратимыми. Обратимость означает, что после снятия нагрузки тело принимает прежние форму и размеры, т.е. остаточная деформация отсутствует.

Пластические деформации возникают за счет образования и движения дислокаций, они изменяют структуру и свойства металла. После снятия нагрузки деформации остаются, т.е. пластические деформации носят необратимый характер.

2. ПОКАЗАТЕЛИ УПРУГОГО И ПЛАСТИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ

2.1. ПРЕДЕЛЫ ПРОПОРЦИОНАЛЬНОСТИ, УПРУГОСТИ и ТЕКУЧЕСТИ.

Область напряжений, при которых происходит только упругая деформация, ограничена пределом пропорциональности? пц. В этой области в каждом зерне имеют место только упругие деформации, а для образца в целом выполняется закон Гука – деформация пропорциональна напряжению (отсюда и название предела).

С повышением напряжения в отдельных зернах возникают микропластические деформации. При таких нагрузках остаточные напряжения незначительные (0.001% - 0.01%).

Напряжение, при котором появляются остаточные деформации в указанных пределах, называется условным пределом упругости. В его обозначении индекс указывает на величину остаточной деформации (в процентах), для которой произведено определение предела упругости, например? 0.01 .

Напряжение, при котором пластическая деформация имеет место уже во всех зернах называется условным пределом текучести. Чаще всего он определяется при величине остаточной деформации 0.2% и обозначается? 0.2 .

Формально, различие между пределами упругости и текучести связано с точностью определения «границы» между упругим и пластическим состоянием, что и отражает слово «условный». Очевидно, что? пц именно предел пропорциональности или упругости определяет степень проявления неупругих свойств и величину предела усталости.

Отсутствие резкой границы между упругим и пластическим состоянием означает, что в интервале напряжений между? пц и? 0.2 происходят и упругие и пластические деформации.

Упругое состояние существует до тех пор, пока во всех зернах металла дислокации неподвижны.

Переход к пластическому состоянию наблюдается в таком интервале нагрузок, при которых движение дислокаций (и, следовательно, пластическая деформация) происходит только в отдельных кристаллических зернах, а в остальных продолжает реализовываться механизм упругой деформации.

Пластическое состояние реализуется, когда движение дислокаций происходит во всех зернах образца.

После перестройки дислокационной структуры (завершения пластической деформации) металл возвращается в упругое состояние, но с измененными упругими свойствами.

Приведенные обозначения пределов соответствуют одноосному растяжению, диаграмма которого приведена на рисунке. Аналогичные по смыслу пределы определяют для сжатия, изгиба и кручения.

Рассмотренная диаграмма характерна для металлов, у которых переход от упругого состояния к пластическому очень плавный. Однако с уществуют металлы с ярко выраженным переходом в пластическое состояние. Диаграммы растяжения таких металлов имеют горизонтальный участок, и они характеризуются не условным, а физическим пределом текучести. Пример такой диаграммы см. на сайте http://www.physics-words.com/130/207/2770120.html.. По достижении физического предела текучести небольшое увеличение напряжения приводит к резкому удлинению образца, металл как-бы течет, отсюда и название предела.

2.2. ХАРАКТЕРИСТИКИ УПРУГОГО СОСТОЯНИЯ

Самые важные параметры упругого состояния – предел упругости? у и модули упругости.

Предел упругости определяет предельно допустимые эксплуатационные нагрузки , при которых металл испытывает только упругие или небольшие допустимые упруго-пластические деформации. Очень грубо (и в сторону завышения) границу упругости можно оценить по пределу текучести.

Модули упругости характеризуют сопротивление материала действию нагрузки в упругом состоянии. Модуль Юнга E определяет сопротивление нормальным напряжениям (растяжение, сжатие и изгиб), а модуль сдвига G - касательным напряжениям (кручение). Чем больше модули упругости, тем круче упругий участок на диаграмме деформации (см. рисунок), тем меньше величина упругих деформаций при равных напряжениях и, следовательно, больше жесткость конструкции. Упругие деформации не могут быть больше величины? у /Е.

Таким образом, модули упругости определяют предельно допустимые эксплуатационные деформации (с учетом величины предела упругости и жесткость изделий . Модули упругости измеряются в тех же единицах, что и напряжение (МПа или кгс/мм 2).

Конструкционные материалы должны сочетать высокие значения предела текучести (выдерживают большие нагрузки) и модулей упругости (обеспечивают большую жесткость). Модуль упругости Е имеет одинаковую величину при сжатии и растяжении. Однако, пределы упругости при сжатии и растяжении могут отличаться. Поэтому при одинаковой жесткости, диапазоны упругости при сжатии и растяжении могут быть различны.

В упругом состоянии металл не испытывает макро пластических деформаций, однако в его отдельных микроскопических объемах могут происходить локальные микро пластические деформации. Они являются причиной так называемых неупругих явлений, существенно влияющих на поведение металлов в упругом состоянии. При статических нагрузках проявляются гистерезис, упругое последействие и релаксация, а при динамических – внутреннее трение.

Релаксация – самопроизвольное уменьшение напряжений в изделии. Примером её проявления является ослабевание со временем натяжных соединений. Чем меньше релаксация, тем стабильнее действующие напряжения. Кроме этого релаксация приводит к появлению остаточной деформации после снятия нагрузки. Восприимчивость к этим явлениям характеризует релаксационная стойкость. Она оценивается как относительное изменение напряжения со временем. Чем она больше, тем меньше металл подвержен релаксации.

Внутреннее трение определяет необратимые потери энергии при переменных нагрузках. Потери энергии характеризуются декрементом затухания или коэффициентом внутреннего трения. Металлы с большим декрементом затухания эффективно гасят звук и вибрации, меньше подвержены резонансу (один из лучших демпфирующих металлов - серый чугун). Металлы с низким коэффициентом внутреннего трения, наоборот минимально влияют на распространение колебаний (например колокольная бронза). В зависимости от назначения металл должен иметь высокое внутреннее трение (амортизаторы) или, наоборот, низкое (пружины измерительных приборов).

С повышением температуры упругие свойства металлов ухудшаются. Это проявляется в сужении упругой области (за счет уменьшения пределов упругости), усилении неупругих явлений и уменьшении модулей упругости.

Металлы, которые используются для изготовления упругих элементов, изделий со стабильными размерами должны иметь минимальные проявления неупругих свойств. Это требование лучше выполняется когда предел упругости значительно превышает рабочее напряжение. Кроме этого важно соотношение пределов упругости и текучести. Чем больше отношение? у / ? 0.2 , тем меньше проявление неупругих свойств. Когда говорят, что металл обладает хорошими упругими свойствами, обычно подразумевается не только высокий предел упругости, но и большое значение? у / ? 0.2.

2.3. ПРЕДЕЛ ПРОЧНОСТИ

При напряжениях, превышающих предел текучести? 0.2 , металл переходит в пластическое состояние. Внешне это проявляется в снижении сопротивления действующей нагрузке и видимым изменением формы и размеров. После снятия нагрузки металл возвращается в упругое состояние, но остается деформированным на величину остаточных деформаций, которые могут намного превышать предельные упругие деформации. Изменение дислокационной структуры в процессе пластической деформации увеличивает предел текучести металла – происходит его деформационное упрочнение.

Обычно пластическую деформацию исследуют при одноосном растяжении образца. При этом определяются временное сопротивление? в, относительное удлинение после разрыва? и относительное сужение после разрыва?. Картина растяжения при напряжениях, превышающих предел текучести, сводится к двум вариантам, представленным на рисунке.

В первом случае (рисунок на вставке) наблюдается равномерное растяжение всего образца - происходит равномерная пластическая деформация, которая завершается разрывом образца при напряжении? в. В этом случае? в имеет смысл условного предела прочности при растяжении, а? и? определяют максимальную равномерную пластическую деформацию.

Во втором случае образец сначала растягивается равномерно, а после достижения напряжения? в образуется местное сужение (шейка) и дальнейшее растяжение, вплоть до разрыва, сосредоточено в области шейки. В этом случае? и? являются суммой равномерной и сосредоточенной деформаций (см. рис.). Поскольку «момент» определения временного сопротивления уже не совпадает с «моментом» разрыва образца, то? в определяет не предельную прочность, а условное напряжение, при котором завершается равномерная деформация. Тем не менее, величину? В часто называют условным пределом прочности независимо от наличия или отсутствии шейки.

В любом случае разница (? в – ? 0.2) определяет интервал условных напряжений, в котором происходит равномерная пластическая деформация, а отношение? 0.2 / ? В характеризует степень упрочнения. В отожженном металле? 0.2 /? В =0.5-0.6. а после деформационного упрочнения (наклепа) оно увеличиватся до 0.9-0.95.

Слово «условный» применительно к? в означает, что оно меньше «истинного» напряжения S В действующего в образце. Дело в том, что напряжение? определяется как отношение растягивающей силы к площади начального сечения образца (что удобно), а истинное напряжение S должно определяться по отношению к площади сечения в момент измерения (что сложнее). В процессе пластической деформации происходит утончение образца и по мере растяжения разница между условным и истинным напряжением увеличивается (особенно после образования шейки). Если строить диаграмму растяжения для истинных напряжений, то кривая растяжения будет проходить над кривой, нарисованной на рисунке и не будет иметь ниспадающего участка.

Металлы могут иметь одинаковое значение? в, но, если у них разные диаграммы растяжения, разрушение образца будет происходить при разных истинных напряжениях S В (их истинная прочность будет различной).

Временное сопротивление? В определяется при нагрузке, действующей в течение десятков секунд, поэтому часто называется пределом кратковременной прочности.

Пластическое деформирование исследуется также при сжатии, изгибе, кручении, диаграммы деформаций при этом подобны приведенной на рисунке. Но по многим причинам одноосное растяжение в большинстве случаев оказывается более предпочтительным. Наименее трудоёмко определение параметров одноосного растяжения? в и?, они всегда определяются при массовых заводских испытаниях, а их значения обязательно приводятся во всех справочниках.

Описание методики испытания металлов на растяжение (и определение всех терминов) приведены в ГОСТ 1497-73 . Испытание на сжатие описано в ГОСТ 25.503-97 , а на кручение - в ГОСТ3565-80.

2.4. ПЛАСТИЧНОСТЬ И ВЯЗКОСТЬ

Пластичность – это способность металла изменять форму без нарушения целостности (без трещин, надрывов и тем более разрушения). Она проявляется, когда упругое деформирование сменяется пластическим, т.е. при напряжениях больших предела текучести? в.

Возможности пластического деформирования характеризует отношение? 0.2 /? в. При? 0.2 /? В = 0.5-0.6 металл допускает большие пластические деформации (? и? составляют десятки процентов). Наоборот, при? 0.2 /? В =0.95–0.98 металл ведет себя как хрупкий: область пластических деформаций практически отсутствует (? и? составляют 1-3%).

Чаще всего пластические свойства оценивают по величине относительного удлинения при разрыве?. Но эта величина определяется при статическом одноосном растяжении и поэтому не характеризует пластичность при других видах деформаций (изгиб, сжатие, кручение), больших скоростях деформирования (ковке, прокатке) и высоких температурах.

В качестве примера можно привести латуни Л63 и ЛС59-1, у которых практически одинаковые значения?, но существенно разные пластические свойства. Надрезанный пруток из Л63 в месте разреза сгибается, а из ЛС59-1 обламывается при небольшом усилии. Проволока из Л63 легко расплющивается без образования трещин, а из ЛС59-1 растрескивается после нескольких ударов. Латунь ЛС59-1 легко поддается горячей прокатке, а Л63 прокатывается только в узком диапазоне температур, за пределами которого заготовка растрескивается.

Таким образом, пластичность зависит от температуры, скорости и способа деформации. На пластические свойства сильно влияют многие примеси, часто даже в очень малых концентрациях.

На практике для определения пластичности применяются технологические пробы, в которых используются такие способы деформирования, которые больше отвечают соответствующим технологическим процессам.

Распространена оценка пластичности по углу изгиба, количеству перегибов или скручиваний, которые выдерживает полуфабрикат без появления трещин и надрывов.

Испытание на выдавливание лунки из ленты (аналогия со штамповкой и глубокой вытяжкой) проводится до появления надрывов и трещин.

Хорошие пластические свойства важны при технологических процессах обработки металлов давлением. При нормальной же эксплуатации металл находится в упругом состоянии и его пластические свойства не проявляются. Поэтому ориентироваться на показатели пластичности при нормальной эксплуатации изделий на первый взгляд нет смысла.

Но если существует вероятность возникновения нагрузок, превышающих предел текучести, то желательно, чтобы материал был пластичен. Хрупкий металл разрушается сразу после превышения некоторого предела, а пластичный материал способен, не разрушаясь, поглотить достаточно избыточной энергии.

Понятия вязкости и пластичности часто отождествляют, но эти термины характеризуют разные свойства:

Пластичность - определяет способность деформироваться без разрушения, она оцениваются в линейных, относительных или условных единицах.

Вязкость - определяет количество энергии, поглощаемой при пластической деформации, она измеряется с использованием единиц энергии

Величина энергии, необходимой для разрушения материала, равна площади под кривой деформации на диаграмме «истинное напряжение – истинная деформация». Это означает, что она зависит и от максимально возможной деформации и от прочности металла. Способ определения энергоемкости при пластической деформации описан в ГОСТ 23.218-84 .

2.5. ТВЕРДОСТЬ

Обобщенной характеристикой упруго-пластических свойств является твердость.

Твердость – это свойство поверхностного слоя материала сопротивляться внедрению другого, более твердого тела, при его сосредоточенном воздействии на поверхность материала. «Другое, более твердое тело» - это индентор (стальной шарик, алмазная пирамида или конус), вдавливаемый в испытываемый металл.

Напряжения, вызванные индентором, определяются его формой и силой вдавливания. В зависимости от величины этих напряжений в поверхностном слое металла происходят упругие, упруго-пластические или пластические деформации. В первом случае снятие нагрузки не оставляет следа на поверхности. Если напряжение превышает предел упругости металла, то после снятия нагрузки на поверхности остаётся отпечаток.

Чем меньше отпечаток, тем выше сопротивление вдавливанию и тем большей считается твердость. По величине сосредоточенного усилия, ещё не оставляющего отпечатка, можно определить твердость на пределе текучести (ГОСТ 22762-77) .

Численное определение твердости производится по методикам Виккерса, Бринелля и Роквелла.

В методе Роквелла (ГОСТ 9013-59) твердость измеряется в условных единицах HR, которые отражают степень упругого восстановления отпечатка после снятия нагрузки. Т.е. число твердости по Роквеллу определяет сопротивление упругим или малым пластическим деформациям. В зависимости от вида металла и его твердости используют разные шкалы. Чаще всего используется шкала С и число твердости HRC.

В единицах HRC часто формулируют требования к качеству поверхности стальных деталей после термообработки. Твердость HRC в наибольшей степени отражает уровень рабочих характеристик высокопрочных сталей, а с учетом простоты измерений по Роквеллу, очень широко применяется на практике. Подробно о методе Роквелла с описанием различных шкал и твердости разных классов материалов см. http://www.fast-const.ru/articles.php?article_id=2

Твердость по Виккерсу и Бринеллю определяется как отношение усилия вдавливания к площади контакта индентора и металла при максимальном внедрении индентора. Т.е. числа твердости HV и HB имеют смысл среднего напряжения на поверхности невосстановленного отпечатка, измеряются в единицах напряжения (МПа или кгс/мм) и определяют сопротивление пластическим деформациям. Основное различие между этими методами связано с формой индентора.

Применение алмазной пирамиды в методе Виккерса (ГОСТ 2999-75 , ГОСТ Р ИСО 6507-1) обеспечивает геометрическое подобие пирамидальных отпечатков при любой нагрузке - соотношение глубины и размера отпечатка при максимальном вдавливании не зависит от приложенного усилия. Это позволяет достаточно строго сравнивать твердость разных металлов, в том числе результаты, полученные при разных нагрузках.

Шаровые инденторы в методе Бринелля (ГОСТ 9012-59) не обеспечивают геометрического подобия сферических отпечатков. Это приводит к необходимости выбирать величину нагрузки в зависимости от диаметра шарового индентора и вида испытуемого материала по таблицам рекомендуемых параметров испытаний. Следствием этого является неоднозначность при сравнении чисел твердости HB для разных материалов.

Зависимость определяемой твердости от величины приложенной нагрузки (небольшая для метода Виккерса и очень сильная в методе Бринелля) требует обязательного указания условий испытания при записи числа твердости (см. ГОСТы), хотя это правило часто не соблюдается.

Область воздействия индентора на металл сопоставима с размерами отпечатка, т.е. твердость характеризует локальные свойства полуфабриката или изделия. Если поверхностный слой (плакированный или упрочненный) отличается по свойствам от основного металла, то измеряемые значения твердости будут зависеть от соотношения глубины отпечатка и толщины слоя – т.е. будут зависеть от метода и условий измерения. Результат измерения твердости может относиться или только к поверхностному слою или к основному металлу с учетом его поверхностного слоя.

При измерении твердости определяется результирующее сопротивление внедрению индентора в металл без учета отдельных структурных составляющих. Усреднение происходит, если размер отпечатка превосходит размер всех неоднородностей. Твердость отдельных фазовых составляющих (микротвердость) определяется по методу Виккерса (ГОСТ 9450-76) при малых усилиях вдавливания.

Прямой взаимосвязи между разными шкалами твердости не существует, отсутствуют и обоснованные методы перевода чисел твердости из одной шкалы в другую. Имеющиеся таблицы, формально связывающие различные шкалы, построены по данным сравнительных измерений и справедливы только для конкретных категорий металлов. В таких таблицах числа твердости обычно сопоставляются с числами твердости HV. Это связано с тем, что метод Виккерса позволяет определять твердость любых материалов (в других методах диапазон измеряемой твердости ограничен) и обеспечивает геометрическое подобие отпечатков.

Графическая связь между шкалами Роквелла и Виккерса см. http://www.gordonengland.co.uk/hardness/hardness_conversion.gif.

для сталей - http://www.grantadesign.com/images/hardness.fe2.gif

То же для цветных сплавов - http://www.grantadesign.com/images/hardness.al1.gif

Табличная связь между всеми шкалами для сталей есть в http://www.freetechnicalcharts.com/images/Steel_hardness_conversion_chart.jpg

Также не существует прямой связи твердости с пределами текучести или прочности, хотя на практике часто используется соотношение? в = k НВ. Значения коэффициента k определяются на основе сравнительных испытаний для конкретных классов металлов и варьируются от 0.15 до 0.5 в зависимости от вида металла и его состояния (отожженный, нагартованный и т.д.).

Изменения упругих и пластических свойств с изменением температуры, после термической обработки, нагартовки и т.д. проявляются в изменении твёрдости. Твердость измеряется быстрее, проще, допускает неразрушающий контроль. Поэтому изменение характеристик металла после различных видов обработки удобно контролировать именно по изменению твердости. Например, упрочнение, увеличивая? 0.2 и? 0.2 /? в, увеличивает твердость, а отжиг её уменьшает.

В большинстве случаев твердость определяется при комнатной температуре при воздействии индентора менее минуты. Определяемая при этом твердость называется кратковременной твердостью. При высоких температурах, когда развивается явление ползучести (см. ниже), определяется длительная твердость - реакция металла на длительное воздействие индентора (обычно в течение часа). Длительная твердость всегда меньше кратковременной и это различие растет с увеличением температуры. Например в меди кратковременная и длительная твердость при 400 о С составляет 35HV и 25HV , а при 700 о С - 9HV и 5HV соответственно.

Рассмотренные методы относятся к статическим: индентор внедряется медленно, а максимальная нагрузка действует достаточно долго для завершения процессов пластической деформации (10 – 180с). В динамических (ударных) методах воздействие индентора на металл кратковременно, поэтому и деформационные процессы протекают иначе. Различные варианты динамических методов используются в портативных твердомерах.

При столкновении с исследуемым материалом энергия индентора (бойка) расходуется на упругую и пластическую деформацию. Чем меньше энергии израсходовано на пластическую деформацию образца, тем выше должна быть его «динамическая» твердость, которая определяет сопротивление материала упруго-пластическому деформированию при ударе. Первичные данные пересчитываются в числа «статической» твердости (HR, HV, HB), которые и отображаются на приборе. Такой пересчет возможен только на основе сравнительных измерений для конкретных групп материалов.

Существуют также оценки твердости по сопротивлению абразивному изнашиванию или резанию, которые лучше отражают соответствующие технологические свойства материалов.

Из сказанного следует, что твердость не является первичным свойством материала, скорее это обобщенная характеристика, отражающая его упруго-пластические свойства. При этом, выбор метода и условий измерения может преимущественно характеризовать или его упругие или, наоборот, пластические свойства.

3. ПОКАЗАТЕЛИ КОНСТРУКЦИОННОЙ ПРОЧНОСТИ

При одноосном растяжении разрушение происходит при достижении предела прочности? в уже после завершения пластической деформации. Однако, в реальных условиях металлы разрушаются при напряжениях, не превышающих даже предела текучести? 0.2 . Это означает, что величина? в не определяет реальную прочность металлов и для её описания нужны другие характеристики.

Практика показывает, что долговечность изделия определяют 1) конструкционная прочность, 2) износостойкость и 3) коррозионная стойкость соответствующего материала при соответствующих условиях эксплуатации. Именно эти свойства определяют выбор материала в большинстве практических задач.

3.1. ТРЕЩИНОСТОЙКОСТЬ (ВЯЗКОСТЬ РАЗРУШЕНИЯ)

В металлах всегда имеются концентраторы напряжений. Ими являются неоднородности структуры (примеси, упрочняющие фазы), дефекты (внутренние и поверхностные трещины), конструктивные особенности изделия (надрезы, резкие изменения в сечении). Механизмы разрушения связаны с микропластическими деформациями, которые развиваются вблизи концентраторов напряжений и с течением времени приводят к зарождению трещины.

По скорости распространения трещины различают вязкое и хрупкое разрушение. При хрупком разрушении она достигает скорости 1000 м/с, а при вязком – в сотни раз меньше. Для вязкого разрушения требуется значительно больше энергии, поскольку область деформации охватывает область металла далеко за пределами трещины. При хрупком разрушении деформация локализована в узкой области у вершины трещины, поэтому для её продвижения требуется намного меньше энергии.

Пока трещина развивается медленно, изделие сохраняет работоспособность. Но после того, как трещина достигает некоторой критической величины, её дальнейшее распространение происходит очень быстро и наступает катастрофическое разрушение конструкции. Чем медленнее развивается трещина, тем больше конструкционная прочность. Для характеристики конструкционной прочности используют несколько величин (ГОСТ 25.506-85).

Важнейшим параметром конструкционной прочности материала является критический коэффициент интенсивности напряжений в вершине трещины К 1С (или вязкость разрушения). Он учитывают длину трещины и процесс её развития. Его знание позволяет рассчитывать максимально допустимую нагрузку в конструкции с трещиной таких размеров, при которых ещё не начинается её быстрое развитие до полного разрушения. В конструкционных сталях, алюминиевых и титановых сплавах К 1С изменяется в широких пределах – от 15 до 200 МПа*м. Чем больше его значение, тем выше конструкционная прочность материала.

П ростой связи между вязкостью разрушения К 1С и параметрами одноосного растяжения (? 0.2 , ? в, ?, ?) не существует. В то же время она существенно зависит от особенностей структуры и наличия примесей.

Это можно проиллюстрировать на примере алюминиевых сплавов семейства В95. Как и другие термоупрочняемые сплавы их структура зависит от режима закалки и старения. Существует много примеров, когда предпочтение отдается металлам с меньшей прочностью , но с большим значением К 1С.

3.2. УСТАЛОСТНАЯ ПРОЧНОСТь

Трещины в металлах зарождаются и развиваются не только при статических нагрузках, но и под действием циклических напряжений. Усталостная трещина зарождается в поверхностных слоях (это её отличительный признак) и с каждым циклом медленно развивается вглубь. Разрушение происходит, когда из-за уменьшения сечения действующие напряжения превысят разрушающие.

Накопление повреждений означает, что чем больше циклов нагружения, тем меньше должна быть величина нагрузки, чтобы металл «работал», не разрушаясь. Процесс постепенного накопления повреждений в металле называется усталостью .

Свойство противостоять усталости называется выносливостью . Её важнейшей характеристикой является предел выносливости. Он показывает наибольшее напряжение цикла, при котором не происходит усталостного разрушения после заданного числа циклов. Чаще используют симметричные знако-переменные циклы (поочередно действуют одинаковые по амплитуде сжимающие и растягивающие напряжения), в таких случаях предел выносливости обозначается? - 1 .

Испытания на усталостную прочность регламентированы в ГОСТ 25.502.79 и в ГОСТ 25.505-85

Вторая по важности характеристика выносливости - усталостная долговечность. Она определяет число циклов, которое металл может выдержать при заданном напряжении. Определяется также вероятность разрушения при заданном уровне нагружения и заданном числе циклов (или допустимое напряжение при заданной вероятности разрушения). Важной характеристикой сопротивления усталости является скорость роста трещины при усталости (СРТУ) dl/dN и циклическая вязкость (циклическая трещиностойкость) К ц 1с. При их определении фиксируют длину трещины по мере увеличения числа циклов, а нагружение проводится на частотах 15-20 Гц.

Способность металла работать в условиях циклических нагрузок существенно зависит от условий нагружения.

А). При относительно небольших напряжениях (которым соответствуют упругие деформации) усталостная долговечность велика – металл сохраняет целостность при большом числе циклов. Многоцикловые характеристики определяются при базе испытаний 10 6 – 10 8 циклов на частотах 10-300 Гц.

Б). При значительных нагрузках (в области упруго-пластических деформаций) усталостная долговечность намного меньше. Параметры малоцикловой усталости определяются при базе испытаний до 5*10 4 на частотах 3 - 5 Гц.

В). Циклические изменения температуры при постоянном напряжении (или на фоне циклических нагрузок) сопровождаются упруго-пластическими деформациями. Это приводит к термической усталости . Способность материала сопротивляться разрушению в условиях проявления термической усталости называется термостойкостью. Показатель термостойкости – количество термоциклов при заданной нагрузке до разрушения (ГОСТ 25.502.79).

Получение усталостных характеристик является очень дорогим и трудоёмким процессом. Поэтому для приближенной оценки предела усталости его часто определяют через другие известные характеристики, например? -1 = k? в. Коэффициент k имеет разные значения не только для разных сплавов, но и для разных состояний одного и того же металла. Например, для отожженных алюминиевых термически неупрочняемых сплавов k = 0,4-0, 6, а для термоупрочненных алюминиевых сплавов k = 0.3.

Характеристики выносливости зависят от сочетания прочностных, пластических свойств и особенностей структуры. На выносливость всех металлов и сплавов отрицательно влияют примеси и грубые фазовые включения, особенно неметаллические.

Поскольку усталостные трещины зарождаются на поверхности, то особое значение для повышения долговечности при циклических нагрузках имеет состояние поверхности. Полировка, поверхностное упрочнение, отсутствие коррозии увеличивают величину предела выносливости.

3.3. УДАРНАЯ ВЯЗКОСТЬ

При статических испытаниях скорость приложения нагрузки составляет 10 -5 – 10 -2 м/с. Их результаты не отражают сопротивляемость материала к нагрузкам, действующим с гораздо большей скоростью. Поэтому устойчивость металла к разрушению при ударных нагрузках определяют в динамических испытаниях при скоростях деформирования 3 – 5 м/с.

Основная характеристика, получаемая при ударных испытаниях – ударная вязкость (единица измерения – Дж/см 2 ). Она определяет энергию, необходимую для разрушения образца. Её измеряют, подвергая удару образец с предварительно нанесенным надрезом (ГОСТ9454-78).

Энергия удара поглощается в некотором объеме вокруг надреза. Этот объем зависит и от прочности и от пластичности металла, для разных металлов он разный и его трудно оценить. Поэтому энергию разрушения относят не к объему деформируемой области (что было бы правильно), а к площади сечения в надрезе (что удобно). По этой причине величина ударной вязкости носит условный характер, что нужно учитывать при сравнении показателей для разных металлов или разных температур

В зависимости от вида надреза (концентратора) определяется три вида ударной вязкости. В её обозначении присутствует буква, указывающая на вид концентратора: КСT, КСU, КСV (последняя буква соответствует профилю надреза). Величина КСV – используется для контроля материалов для ответственных, а КСT – для особо ответственных применений. Т- концентратор представляет собой надрез с заранее введенной трещиной, поэтому в таком случае энергия удара расходуется только на развитие трещины (а не на её образование и развитие), поэтому КСT < КСU, КСV. В справочниках часто встречается обозначение ударной вязкости? н, соответствующе КСU.

При определении динамической вязкости при высоких или пониженных температурах дополнительно вводится обозначение температуры испытания, например КСU -60 . На основе таких измерений и по виду излома образца определяется ещё одна характеристика металла - температура хрупко-вязкого перехода Т хр. Это температура, при которой характер разрушения изменяется с вязкого на хрупкий.

3.4. ПРЕДЕЛЫ ПОЛЗУЧЕСТИ И ДЛИТЕЛЬНОЙ ПРОЧНОСТИ

При напряжениях ниже предела текучести в металлах наблюдается явление ползучести. Ползучесть – это непрерывная деформация под действием постоянного напряжения. При малых нагрузках и низких температурах она носит обратимый характер.

Ползучесть становится проблемой при повышенных температурах (примерно начиная с 0.4-0.6Т пл) и нагрузках выше некоторой величины (но меньше предела текучести). Деформация ползучести сопровождается изменениями структуры и, соответственно механических свойств. В отличие от пластической деформации, упрочняющей металл, деформация ползучести ведет к его разупрочнению. Кроме постоянно растущей деформации и увеличения скорости ползучести в металле начинается зарождение трещин и со временем происходит его разрушение.

С явлением ползучести связано понятие жаропрочности. Это способность работать под нагрузкой с допустимыми деформациями и без разрушения в условиях повышенных температур.

Количественной характеристикой жаропрочности является предел ползучести (ГОСТ 3248-60) и предел длительной прочности (ГОСТ 10145-81).

Предел ползучести используется в двух вариантах. В первом - это растягивающее напряжение, при котором деформация достигает заданной величины за определенное время. В обозначении предела верхний индекс указывает заданную температуру, нижний (через дробь) указывает допустимое удлинение в % и время, за которое оно достигается, например? 900 1/1000 .

В другом варианте нижний индекс указывает допустимую скорость установившейся ползучести.

Предел длительной прочности это условное наибольшее напряжение, под действием которого материал при заданной температуре разрушается через заданный промежуток времени. В обозначении присутствуют два индекса: верхний указывает заданную температуру, нижний – заданную долговечность (в часах), например? 900 1000 . Эта характеристика определяет способность материала противостоять разрушению при длительном воздействии температуры и нагрузки.

Предел ползучести и длительная прочность понижаются с увеличением температуры и длительности выдержки. Они должны рассматриваться как предельные значения рабочего напряжения при высоких температурах.

Жаропрочность часто путают с жаростойкостью – способность выдерживать высокую температуру без окалинообразования. Жаростойкость можно рассматривать как сопротивление коррозии, вызванной высокими температурами. Её характеристики и методы определения даны в ГОСТ 21910-76 и ГОСТ 6130-71 .

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Из приведенного материала должно быть понятно, что любой материал характеризуется таким большим количеством параметров, что нельзя по нескольким величинам делать выводы о всей совокупности свойств металла и возможности его применения в тех или иных условиях.

Для получения необходимой полноты сведений о свойствах необходимо пользоваться не ГОСТами, в которых приведены несколько легкоизмеряемых величин,а справочной литературой.