Механические свойства. Значения механических свойств определяются экспериментально путем механических испытаний

Значения механических свойств определяются экспериментально путем механических испытаний. Чтобы исключить влияние характера действующих сил, испытания проводятся в стандартных условиях при использовании испытательных машин. Механические нагрузки на материал создают в нем внутренние напряжения и могут вызывать деформацию или разрушение.

В н у т р е н н и е н а п р я ж е н и я рассматриваются как внутренние силы, возникающие в структуре материала под действием внешних сил, и в общем случае численно соответствуют выражению:

,

где S – внутренние напряжения, Па,

P – внешняя сила, приложенная к изделию из данного материала, Н,

F – площадь сечения изделия, нормального к направлению силы, м².

В зависимости от характера приложенных сил и структурного объема, где проявляются напряжения, их разделяют на три вида.

Напряжения I рода образуются под действием сил, возникающих при нагреве и охлаждении, при кристаллизации материала, неравномерной деформации изделия – изменении его формы и размеров. Эти напряжения проявляются в объеме всего изделия или отдельных его частей.

Напряжения II рода создаются при действии сил, обусловленных структурными превращениями в материале, и распространяются на объем кристаллического зерна.

Напряжения III рода возникают в кристаллической решетке материала при фазовых превращениях и проявляются как смещения ее атомов.

По воздействию на структуру материала внутренние напряжения разделяются на два основных типа: сжимающие и растягивающие.

Под влиянием напряжений в материале происходит деформация изделия, которая может быть упругой или пластической, кроме этого, может произойти разрушение изделия.

У п р у г а я д е ф о р м а ц и я связана только со смещением атомов кристаллической решетки и полностью устраняется после прекращения действия приложенных сил.

П л а с т и ч е с к а я д е ф о р м а ц и я обусловлена смещением отдельных частей кристаллов относительно друг друга, поэтому после снятия действующих сил сохраняется ее необратимая часть – остаточная деформация.

Р а з р у ш е н и е материала изделия состоит в зарождении трещины и ее распространении через все сечение изделия. В зависимости от сопротивления материала процессам пластической деформации разрушение может быть вязким либо хрупким.

При малом сопротивлении пластическая деформация развивается с небольшими напряжениями впереди распространяющейся трещины. Это придает разрушению вязкий характер с увеличенными затратами энергии и уменьшенной скоростью разрушения.

Если сопротивление пластической деформации велико, то трещина распространяется без деформации, с концентрацией напряжений и разрывом межатомных связей впереди трещины. В таких условиях ее распространение происходит самопроизвольно, с хрупким разрушением при малых затратах энергии и весьма большой скорости, т.е. практически мгновенно.

Параметры процессов деформации и разрушения материала имеют наибольшее значение для нормального функционирования деталей и определяются характеристиками прочности и пластичности материала при различных условиях нагружения.

П р о ч н о с т ь ю материала называют его способность сопротивляться деформации и разрушению при действии механических сил.

П л а с т и ч н о с т ь материала представляет его склонность к приобретению остаточной деформации без разрушения под действием механических сил.

В зависимости от условий нагружения характеристики прочности и пластичности определяются путем статических испытаний, когда нагрузка поддерживается постоянной или изменяется медленно, либо с помощью динамических испытаний при быстро или мгновенно меняющейся нагрузке.

С т а т и ч е с к и е и с п ы т а н и я включают испытание прочности и пластичности при растяжении, испытание прочности при сжатии, прочности при изгибе, определение твердости.

Испытание прочности и пластичности при растяжении. Образец материала стандартной формы и размеров устанавливается на испытательную машину, с помощью которой создаются плавно возрастающая нагрузка Р на образец и его деформация – удлинение D l. При этом изменения нагрузки и деформации записываются специальным устройством испытательной машины с получением диаграммы растяжения, приведенный вид которой характерен для пластичных материалов (рис. 25).

Регистрация показаний наибольшей нагрузки и деформации, результаты анализа диаграммы растяжения позволяют вычислить характеристики прочности и пластичности материала.

Характеристики прочности оцениваются по величине нормальных условных напряжений σ, которые определяются нагрузкой, приходящейся на единицу начальной площади сечения образца, учитывая, что в процессе испытания площадь уменьшается незначительно:

,

где σ – условное напряжение, Па,

Р – нагрузка в определенный момент, Н,

F ₀ – начальная площадь поперечного сечения образца, м².

Характеристиками прочности считаются те величины напряжений – пределы, которые достигаются при определенных, граничных значениях удлинения и нагрузки.

Пределом пропорциональности σ_пц называют напряжение, при котором отступление от линейной (пропорциональной) зависимости между нагрузкой и удлинением достигает такой величины, что тангенс угла наклона касательной к кривой растяжения в точке Р _пц увеличивается на 50% своего значения на линейном участке:

.

Рис. 25. Диаграмма растяжения: I – область упругой деформации,
II – область пластической деформации, III – область трещинообразования

При напряжениях не более предела пропорциональности в материале возникают только упругие деформации.

Предел упругости условный σ_0,05 вычисляется как напряжение, при котором нагрузка Р _0,05 создает остаточное удлинение образца, равное 0,05% его начальной расчетной длины:

.

Дальнейшее растяжение образца вызывает переход упругих деформаций в пластические. В этот момент многие материалы приобретают текучесть – деформацию без заметного увеличения нагрузки.

Предел текучести σ_т представляет напряжение, соответствующее наименьшей нагрузке Р _т, без увеличения которой образец деформируется так, что на кривой растяжения образуется площадка:

_.

Если площадка текучести проявляется нечетко или не образуется, то определяют условную величину предела текучести.

Предел текучести условный σ_0,2 вычисляется как напряжение, при котором нагрузка Р _0,2 создает остаточное удлинение образца, равное 0,2% от его начальной расчетной длины:

.

При дальнейшем растяжении пластическая деформация происходит во всем объеме материала образца, за счет чего металлы несколько упрочняются.

Пределом прочности или временным сопротивлением разрыву σ_в называется напряжение, соответствующее наибольшей нагрузке Р _в, предшествующей разрушению образца:

.

Образцы пластичных материалов в это время удлиняются на участке с наименьшим сопротивлением, за счет чего здесь образуется местное сужение – шейка. Дальнейшее растяжение происходит с разрушением образца, что обусловливает понижение усилия до значения Р _К.

Истинное сопротивление разрыву S _к определяется усилием Р _к, приходящимся на единицу минимальной площади F _к поперечного сечения образца после разрыва:

.

Характеристики прочности материалов приводятся в справочной литературе, в конструкторских расчетах и при выборе материала деталей приборов чаще всего используются значения σ_т и σ_в. Наибольшее значение предела прочности σ_в органических полимеров – до 140 МПа у полиимидов; среди металлических материалов самой большой прочностью обладают высокопрочные мартенситно-стареющие стали, у которых величина σ_в достигает 3500 МПа, композиционные материалы с металлической матрицей имеют еще большую прочность – до 12300 МПа.

Характеристики пластичности представляют относительные значения деформации образца, измеренной после разрушения.

Относительное удлинение δ определяется абсолютным остаточным удлинением образца l _ост, приходящимся на единицу его начальной расчетной длины:

100,

где δ – относительное удлинение, %,

l ₀ – начальная расчетная длина образца, м,

l _к – конечная расчетная длина образца, м.

Относительное сужение ψ представляет величину абсолютного сужения образца, приходящуюся на единицу его начальной площади поперечного сечения:

100,

где ψ – относительное сужение, %,

F ₀ – начальная площадь поперечного сечения образца, м²,

F _к – площадь поперечного сечения образца после его разрыва, м².

Характеристики пластичности материалов δ и ψ содержатся в справочных пособиях, вместе с показателями прочности они используются при конструировании деталей. Органические полимеры обладают очень большой пластичностью, например, у полиэтилена величина δ достигает 1000% и тогда она называется эластичностью. У металлических материалов пластичность значительно меньше, ее наибольшая величина для малоуглеродистых сталей составляет 30%, для медных сплавов – 50%.

Для многих приборов и устройств расчет конструкции и выбор материала деталей должны обеспечить рабочие напряжения в них, не превышающие предела текучести σ_0,2 материала, чтобы пластические деформации составляли бы малые значения. При этом условии может сохраняться заданный характер сопряжения деталей и нормальное функционирование прибора.

Если по условиям эксплуатации деталь может иметь только малые упругие деформации, то напряжения не должны превышать предела упругости σ_0,05, и тогда их значения изменяются пропорционально деформации:

,

где Е – модуль упругости (Юнга), Па,

- относительная упругая деформация.

Величина модуля упругости Е определяется только силами межатомной связи материала, т.е. его фазовым состоянием, и не зависит от структуры материала и конфигурации изделия. Она соответствует тангенсу угла наклона линейного участка кривой растяжения и характеризует темп нарастания напряжений по мере увеличения деформации.

Учитывая, что в пределах упругих деформаций действует закон Гука:

,

где к – коэффициент жесткости детали, следует считать, что жесткость определяется модулем упругости материала и геометрическими параметрами детали:

.

Поэтому для получения высокой жесткости детали и ее малых упругих деформаций необходимо придавать детали соответствующую конфигурацию и выбирать материал с большим модулем упругости, который может составлять 300 ГПа у композиционных материалов с металлической матрицей и борными волокнами.

Если же деталь пружинного типа должна иметь большую упругую деформацию, то следует выбирать материал с малым модулем упругости, как, например, бериллиевую бронзу с модулем упругости 100 ГПа.

Испытание на сжатие. Некоторые материалы, такие, как чугун, магниевые и другие хрупкие литейные сплавы, органические полимеры имеют значения прочности при сжатии намного более высокие, чем при растяжении. Поэтому их применяют для изготовления деталей, испытывающих при работе сжимающие нагрузки, и определяют для них предел прочности σ_сж путем испытания на сжатие.

Испытание на изгиб. Детали из материалов с пониженной пластичностью, включающие чугун, инструментальные стали и сплавы, в эксплуатации часто могут подвергаться изгибающим нагрузкам. Для них необходима характеристика прочности при изгибе, которую определяют путем испытания на изгиб. При этом образец, установленный на двух опорах, получает сосредоточенную испытательную нагрузку, после чего вычисляется предел прочности при изгибе:

,

где σ_И – предел прочности при изгибе, Па,

М _max – наибольший изгибающий момент, Нм,

W – осевой момент сопротивления сечения образца, м³.

Создаваемая при испытании деформация изгиба вызывает появление напряжений сжатия в слоях материала, обращенных к внутренней стороне образца, на внешней стороне возникают растягивающие напряжения. В слоях материала, находящихся на продольной оси образца, напряжения имеют наименьшую величину.

Определение твердости. Твердость представляет сопротивление материала вдавливанию в него другого тела, не получающего при этом пластической деформации. Числовое значение твердости позволяет судить об уровне прочности и пластичности материала, при этом измерение твердости, не вызывая разрушения детали, производится с помощью быстрых, простых методов, что обусловило их широкое применение в лабораторных и производственных условиях.

В зависимости от ожидаемого уровня твердости и толщины исследуемого слоя материала выбирают один из нескольких основных методов измерения твердости. Это позволяет избежать деформации вдавливаемого тела, а также влияния нижележащих слоев материала, чем обеспечивается необходимая точность испытаний. Во всех методах используется принцип обратной зависимости между глубиной вдавливания специального наконечника и величиной твердости материала.

Метод Бринелля применяется для материалов малой и средней твердости при толщине изучаемого слоя не менее 1 мм. В качестве вдавливаемого тела используется стальной закаленный шарик диаметром от 2,5 до 10 мм, к которому прикладывается нагрузка от 16 до 3000 кГс с помощью испытательного прибора – твердомера. В зависимости от уровня ожидаемой твердости и толщины изучаемого слоя выбирается диаметр шарика и соответствующая нагрузка, после снятия которой на поверхности детали в результате пластической деформации материала остается сферический отпечаток вдавившегося шарика в виде лунки.

Измерение диаметра отпечатка позволяет рассчитать его площадь и определить число твердости с помощью формулы:

,

где НВ – число твердости по методу Бринеля, МПа,

Р – нагрузка на шарик, МН,

F – площадь отпечатка, м².

При определенном соотношении между выбранным диаметром шарика и нагрузкой число твердости зависит только от глубины вдавливания шарика, т.е. диаметра получившегося отпечатка. По результатам соответствующих вычислений эта зависимость сведена в таблицу, позволяющую установить число твердости по величине измеренного диаметра отпечатка. Например, для сплавов цветных металлов твердость соответствует уровню 2000 НВ, для органических полимеров – 1000 НВ.

Метод Бринелля следует применять для материалов с твердостью не более 4500 НВ, чтобы избежать деформации шарика под нагрузкой и снижения точности испытаний.

Метод Роквелла предназначен для материалов различной твердости с толщиной изучаемого слоя не менее 0,5 мм. В зависимости от уровня твердости применяют два вида вдавливаемых наконечников, а также определенные значения испытательной нагрузки, причем предварительная нагрузка для материала любого уровня твердости составляют 10 кГс. После приложения основной нагрузки и ее последующего снятия безразмерное число твердости определяется по шкале индикатора твердомера. Единицей твердости по Роквеллу считается осевое перемещение наконечника под нагрузкой на глубину 0,002 мм, что соответствует цене деления шкалы индикатора.

При средней твердости материалов используется стальной закаленный шарик, к которому прикладывается основная нагрузка 90 кГс, и затем число твердости определяется по шкале В индикатора в пределах от 25HRB до 100HRB.

Для материалов высокой твердости применяется алмазный конус с приложением основной нагрузки 140 кГс. После этого число твердости устанавливается по шкале С с получением значений от 22HRC до 68HRC, как, например, твердость 50HRC, соответствующая уровню твердости углеродистых закаленных сталей.

Материалы очень высокой твердости (сверхтвердые) подвергаются испытанию также с использованием алмазного конуса и приложением к нему основной нагрузки 50 кГс. Число твердости определяется по шкале А индикатора с пределами твердости от 70HRA до 90HRA, что позволяет оценивать твердость, например, антифрикционных и инструментальных керамических материалов.

Метод Виккерса служит для испытания материалов различного уровня твердости при толщине изучаемого слоя не менее 0,1 мм, что относится к тонким деталям либо к тонким поверхностным слоям. В качестве вдавливаемого наконечника используется четырехгранная алмазная пирамида с прикладываемой нагрузкой от 0,5 до 100 кГс, зависящей от толщины исследуемого слоя и уровня твердости материала.

В результате нагружения на поверхности детали образуется четырехгранное углубление с двумя диагоналями – отпечаток пирамиды. С помощью микроскопической приставки, имеющей окуляр-шкалу, производится измерение обеих диагоналей отпечатка и вычисляется средняя длина диагонали. Затем рассчитывается число твердости по формуле:

,

где HV – число твердости по методу Виккерса, МПа,

Р – нагрузка на пирамиду, МН,

F – площадь отпечатка, м².

Площадь отпечатка связана известной зависимостью с длиной его диагонали, на основании чего составлены таблицы, позволяющие определить число твердости по измеренной длине диагонали.

Числа твердости, полученные по методам Бринелля и Виккерса, до значения 4500НВ близко соответствуют друг другу, но величины твердости по Виккерсу отличаются более высокой точностью.

Микротвердость определяется для материалов различной твердости в микроскопически малых объемах, имеющих толщину менее 0,1 мм: очень тонкие поверхностные слои, отдельные элементы структуры материала. Вдавливаемый наконечник представляет четырехгранную алмазную пирамиду того же типа, что в испытаниях по методу Виккерса, но применяемые нагрузки во много раз меньше – от 0.02 до 0.5 кГс, выбор нагрузки обусловлен уровнем твердости и толщины исследуемого объема материала.

Выбранная нагрузка и полученная площадь отпечатка пирамиды позволяют определить величину микротвердости Н в МПа:

,

Изучаемые поверхностные слои и структурные объемы материала, а также получаемый отпечаток пирамиды имеют очень малые размеры, поэтому для определения микротвердости применяется твердомер на базе ме­таллографического микроскопа. После измерения длины диагонали отпечатка устанавливается величина микротвердости с использовашем соответ­ствующих таблиц.

Испытания на трещиностойкость. Трещиностойкость характеризует способность материала сопротивляться развитию трещин при действии на изделие механических нагрузок. Первичные трещины могут появляться в ходе технологических процессов металлургии и обработки материала, а также возникать и развиваться под действием эксплуатационных нагрузок. В случае появления опасности хрупкого разрушения изделия оценка допустимой длины трещины производится с учетом трещиностойкости материала.

Числовой показатель трещиностойкости определяется как критический коэффициент интенчивности напряжений K_IC в вершине трещины при условиях плоской деформации образца, имеющего надрез и специально созданную усталостную трещину. В процессе его внецентренного растяжения записывается диаграмма зависимости величины V раскрытия берегов надреза от увеличинения нагрузки P. Затем из начала координат диаграммы проводится прямая под углом, тангенс которого на 5% меньше тангенса угла наклона прямолинейного участка диаграммы. После этого по точке пересечения прямой с криволинейным участком диаграммы устанавлиявают соответствующую величину нагрузки P_Q, а на изломе разрушенного образца измеряют длину трещины l.

С использованием полученных данных рассчитывается коэффициент интенсивности напряжений по формуле:

,

где - коэффициент интенсивности напряжений, МПа ∙ м^1/2,

- толщина образца, м,

- ширина образца, м,

- функция значений .

Рассмотренное значение считается критическим коэффициентом интенсивности напряжений K_IC вслучае выполнения условий:

; ; .

Если окажется, что данные условия не выполняются, то следует повторить испытание с применением образца увеличенной толщины.

Повышенной трещиностойкостью с величиной K_IC на уровне 120 МПа ∙ м^1/2, для деформируемых алюминиевых сплавов – около 30 МПа ∙ м^1/2.

Д и н а м и ч е с к и е и с п ы т а н и я объединяют испытания на ударный изгиб, испытания на усталость, испытание износостойкости.

Испытание на ударный изгиб. Образцы для испытаний согласно требова­ниям стандарта предусматривают на их середине наличие концентратора напря­жений в виде надреза для необходимого увеличения склонности материала к хрупкому разрушению. Этот надрез может иметь одну из трех форм, со­ответствующих символам: U – для материалов деталей с умеренными рабо­чими нагрузками, V – для деталей с повышенными нагрузками, Т – для особо ответственных и нагруженных деталей.

После установки образца на две опоры испытательной машины – маятни­кового копра по образцу наносится удар при свободном падении маятника с определенным грузом-молотом из исходного положения на заданной высо­те. Произведя удар и разрушив образец с деформацией изгиба, маятник от­клоняется в направлении удара на некоторую высоту, причем разни­ца между исходной и конечной высотами подъема маятника регистрируется по шкале маятникового копра и определяет величину работы разрушения.

Прочность материала при ударном изгибе оценивается ударной вязкостью – рабо­той ударного разрушения, приходящейся на единицу площади сечения образ­ца:

KCU(KCV, KCT) = ,

где KCU, KCV, КСТ – ударная вязкость, полученная на образцах с соответствующей формой надреза, Дж/см²,

К – работа ударного разрушения, Дж,

S₀ – площадь поперечного сечения образца в месте расположения над­реза, см².

Показатели ударной вязкости являются справочными данными и применя­ются для выбора материала, обеспечивающего надежную работу в определенных условиях рабочих механических нагрузок. Наибольшие значения удар­ной вязкости имеют высоколегированные, высокопрочные стали с показа­телем KCU 220 Дж/см², из цветных сплавов у марганцовистой бронзы вяз­кость достигает KCU 196 Дж/см², среди композиционных материалов алюминиевая матрица со стальными волокнами создает вязкость на уровне KCV 93 Дж/см².

Испытания на усталость. При действии циклических повторно-перемен­ных нагрузок в материале накапливаются микроповреждения и образуется трещины, вызывающие опасность разрушения, что называется усталостью материала. Способность материала сопротивляться усталости представ­ляет его выносливость и характеризуется пределом выносливости.

Усталостное разрушение происходит при напряжениях значительно мень­ших статического предела текучести либо предела прочности материала под влиянием циклических нагрузок и концентрации напряжений из-за микроповреждений в поверхностном слое. При этих условиях возникают микротрещины,и вглубь растет главная трещина, пока оставшаяся пло­щадь рабочего сечения детали не станет слишком малой. В это время в оставшемся сечении резко возрастают напряжения и происходит мгно­венное завершение поломки треснувшей детали – долом.

Металлическая поверхность усталостного излома детали имеет харак­терный участок развития трещины в виде гладкой матовой поверхности, а также зону мгновенного долома с кристаллическим блестящим состоянием.

Образцы цилиндрической формы приводятся во вращение испытательной машиной при создании изгибающей циклической нагрузки до разрушения образца или до базового числа циклов N >10⁷. Изменяя уровень нагруз­ки, в образцах последовательно создают заданные ступени напряжения и определяют число циклов до разрушения. Напряжение, не вызывающее разрушения после неограниченно большого или заданного числа циклов, называют пределом выносливости σ_–1.

У большинства конструкционных материалов с повышением прочности снижается пластичность (возрастает хрупкость), увеличивается чувстви­тельность к концентраторам напряжений и уменьшается предел выносливости. Стали, чугуны и большинство цветных сплавов имеют предел выносливо­сти не более σ_–1 150 МПа, только титановые сплавы обладают выносли­востью до σ_–1 500 МПа, а композиционный материал с алюминиевой мат­рицей и борными волокнами имеет σ_–1 = 600 MПa.

Испытание износостойкости. При относительном перемещении контактирующих поверхностей деталей, происходящем под действием внешней силы, возникает сопротивление перемещению – сила трения. Она зависит от коэффициента трения и нормальной силы, прижимающей детали друг к другу:

,

где F – сила трения, Н,

f – коэффициент трения,

N – нормальная сила прижатия деталей, Н.

Коэффициент трения зависит от многих факторов, главными из которых являются природа материала деталей, наличие пленок на поверхности трения, скорость перемещения, нагрузка, площадь контакта и шероховатость поверхностей.

Трение сопряженных деталей вызывает их изнашивание, представляю­щее процесс отделения материала с трущихся поверхностей, накопление в них остаточных деформаций и образование износа – изменения размеров, объема, массы деталей.

В зависимости от механизма изнашивания различают несколько его ос­новных видов: механическое, коррозионно-механическое, электроэрозион­ное. Для многих деталей приборов и механизмов типичным является тре­ние скольжения при коррозионно-механическом изнашивании с преобладающим влиянием процессов окисления и механического упруго-пластического взаимодействия поверхностей. Иногда возникают условия механического изнашивания, соответствующие его абразивно-окислительной разновидно­сти.

Износостойкостью называют способность материала сопротивляться изнашиванию. Единой методики ее оценки не разработано из-за большого разнообразия реальных условий изнашивания, поэтому применяются различные виды испытаний износостойкости. Ближе всего соответствие реальным условиям механизма окислительного и абразивно-окислительного изнашивания деталей приборов обеспечивает схема трения скольжения с использова­нием образца исследуемого материала и сопряженного с ним твердого тела либо закрепленных абразивных частиц. Испытательная машина тре­ния позволяет создавать определенные значения скорости трения и на­грузки. Вместе с образцом исследуемого материала испытанию подверга­ется образец материала, принятого за эталон для данных условий изна­шивания.

Величина массового износа материала определяется как абсолютное уменьшение массы образца, приходящееся на единицу площади поверхно­сти трения. Линейный износ рассчитывается по полученному массовому износу с учетом плотности исследуемого материала.

Относительная износостойкость материала ε определяется по формуле:

,

гдеΔ l _э - абсолютный линейный износ эталонного образца, мм,

Δ l _и - абсолютный линейный износ исследуемого образца, мм,

d _э - фактический диаметр эталонного образца, мм,

d _и - фактический диаметр исследуемого образца, мм.

Для повышения износостойкости деталей применяют увеличение твердости их материалов либо поверхностных слоев, используют при изготов­лении сопряженных трущихся деталей специальные антифрикционные металлические и неметаллические материалы, а также смазки, чем снижается коэффициент трения и оптимизируется процесс изнашивания.

Дата добавления: 2014-10-31