Механические свойства

Основными характеристиками механических свойств металлов являются: прочность, пластичность, твердость, ударная вязкость.

Прочность металла или сплава — это его способность сопротивляться разрушению под действием внешних сил (нагрузок). В зависимости от характера действия этих сил различают прочность на растяжение, сжатие, изгиб и кручение, а также усталость металлов.

Для испытания на растяжение из металла или спла­ва изготовляют образцы, форма и размеры которых ус­тановлены ГОСТом,

Испытание производится на разрывных машинах (рис. 9). В верхний и нижний захваты закрепляют голов­ки, образца. Верхний захват закреплен неподвижно, а нижний — с помощью специального механизма медлен­но опускается, растягивая образец до его разрыва. Раз­виваемое машиной усилие достигает 50 т.

Рис. 9. Разрывная машина:

1 — шкала самописца, 2 — станина, 3 — образец, 4 — верхний и нижний захваты

При испытании на растяжение показатели прочнос­ти могут быть получены из диаграммы растяжения, ко­торая автоматически вычерчивается на барабане разрыв­ной машины. Эта диаграмма характеризует поведение материала при разных нагрузках. По горизонтальной линии диаграммы откладывается абсолютное удлинение образца в миллиметрах, а по вертикальной линии — нагрузка в килограммах.

Наибольшая нагрузка Р_в, когда образец металла на­чинает сужаться (образуется шейка), называется нагрузкой предела прочности при растяжении, а напряжение, соответствующее наибольшей нагрузке, называется пре­делом прочности при растяжении — и определяется как отношение наибольшей нагрузки Р_в к первоначаль­ной площади поперечного сечения образца F_o, т. е.

кг/мм²,

где Р_в — наибольшая нагрузка, при которой образец разрушается, кг;

— площадь поперечного сечения образца до разрыва, мм².

Пластичность — это способность металла, не разру­шаясь, изменять форму под действием нагрузки и сохра­нять измененную форму после снятия нагрузки.

Пластичность металлов определяется также при ис­пытании на растяжение. По величине удлинения образ­ца и величине уменьшения его поперечного сечения судят о пластичности материала. Чем больше удлиняет­ся образец, тем более пластичен металл. Пластичные металлы и сплавы хорошо подвергаются обработке дав­лением.

Характеристикой пластичности металлов является относительное удлинение и относительное сужение.

Относительным удлинением d называется отношение величины приращения длины образца после разрыва к его первоначальной длине, выраженное в процентах:

где:

— длина после разрыва, мм;

— первоначальная длина расчетной части образца, мм.

Относительное сужение y — отношение уменьшения площади поперечного сечения образца после испытания к первоначальной площади его поперечного сечения, выраженное в процентах:

100%,

где: — площадь поперечного сечения образца до на­чала испытания, мм²;

— площадь поперечного се­чения в месте разрыва образца после испытания, мм².

Ударная вязкость — это способность металлов и спла­вов оказывать сопротивление действию ударных нагру­зок.

Для испытания материала на ударную вязкость из­готовляют стандартные образцы с надрезом в виде брус­ков с квадратным сечением и определенных размеров. Испытания проводят на специальном устройстве — ма­ятниковый копер. Маятник с закрепленным грузом, массой 10, 15 и 30 кг поднимают на определенную вы­соту и закрепляют в этом положении защелкой. После освобождения маятник падает и производит удар по образцу со стороны, противоположной надрезу.

Разрушение образцов имеет различный характер. У хрупких металлов образцы разрушаются без изменения формы, у вязких металлов они подвергаются значитель­ному изгибу в месте излома.

Ударная вязкость является важной характеристикой материала деталей, которые в процессе работы того или иного механизма испытывают кратковременную удар­ную нагрузку (например, коленчатые валы двигателей, валы и шестерни коробок передач, полуоси колес и др.). Вязкость — свойство, противоположное хрупкости.

Твердость — это свойство металла оказывать сопро­тивление проникновению в него другого, более твердо­го тела, не получающего остаточных деформаций.

Твердость тесно связана с такими важными характе­ристиками металлов и сплавов, как прочность, износо­устойчивость.

Есть несколько методов определения твердости (рис. 10), наиболее широкое распространение получи­ли следующие:

Рис. 10. Определение твердости металлов методами: a — Бринелля; б — Роквелла; в — Виккерса

—вдавливание шарика из твердой стали (метод Бри­нелля);

—вдавливание вершины алмазного конуса или
стального шарика (метод Роквелла);

—вдавливание вершины алмазной пирамиды (метод
Виккерса).

Метод Бринелля заключается в том, что шарик из за­калённой стали под действием нагрузки вдавливается в зачищенную поверхность металла.

Испытание на твердость металла по методу Бринел­ля проводят на приборе ТБ (рис. 11). Стальной шарик закрепляется в шпинделе прибора. Испытуемый обра­зец ставят на предметный столик, который подводят к шпинделю вращением маховика. При включении элек­тродвигателя наложенный груз опускается и стальной шарик с помощью рычажной системы вдавливается в образец. Сначала вдавливание производится медленно, затем нагрузка постепенно увеличивается и выдержива­ется определенное время для получения четких границ отпечатка. Испытуемый образец снимают со столика и измеряют диаметр полученного отпечатка (лунки) при помощи специальной лупы со встроенной шкалой (цена деления 0,1 мм).

Рис. 11. Определение твердости металла по Бринеллю:

a — общий вид пресса: 1 — шпиндель, 2 — испытуемый образец,

3 — столик, 4 — маховик, 5 — электродвигатель, 6 — груз;

б— схема испытания; в — отпечаток на мягком металле;

г — отпечаток на твердом металле; д — проверка результатов

испытания

Твердость по Бринеллю обозначается буквами НВ и определяется как отношение нагрузки Р (кг), приходя­щейся на 1 мм² сферической поверхности отпечатка F, по формуле:

,

Метод Роквелла отличается от метода Бринелля тем, что измеряется не диаметр отпечатка (лунки), а его глу­бина. Чем больше глубина вдавливания, тем меньше твердость испытуемого образца (рис. 12).

Алмазный конус (или стальной шарик) вдавливает­ся в испытуемый образец под действием двух последо­вательно прилагаемых нагрузок — предварительной на­грузки, равной 10 кг, а затем полной (предварительная плюс основная) нагрузки 60 кг (шкала А) или 150 кг (шкала С).

На приборе ТР величину вдавливания определяют непосредственно по шкалам А, В и С циферблата инди­катора (без измерения отпечатка и математических рас­четов).

Рис. 12. Определение твердости металла по Роквеллу: а — прибор ТР: 1 — маховик, 2 — столик, 3 — алмазный конус, 4 — шпиндель, 5 — испытуемый образец, 6 — индикатор, показываю­щий величину вдавливания, 7 — ручка, 8 — грузы, 9 — подъемный винт; б — схема испытания вдавливанием алмазного конуса; I-I — углубление конуса под действием предварительной нагрузки, II-II — углубление конуса под действием полной нагрузки, III—III — углубление конуса при уменьшении полной нагрузки до значения предварительной нагрузки

При измерении твердости стандартной нагрузкой 150 кг значение твердости HR отсчитывается по шкале С индикатора, к обозначению твердости добавляется индекс шкалы, т. е. HR_C.

При измерении твердости тонких образцов или по­верхностного слоя металла со стандартной нагрузкой 60 кг отсчет ведется по шкале А; к обозначению твердо­сти добавляется индекс данной шкалы, т. е. HR_A.

При измерении твердости мягких металлов стальным шариком со стандартной нагрузкой 100 кг отсчет ведется по шкале В и к обозначению твердости добавляется ин­декс данной шкалы, т.е. HR_B.

Метод Виккерса применяется для испытания металлов и сплавов высокой твердости, деталей малых сечений и твердых поверхностных слоев, полученных химико-тер­мической обработкой (цементированных, азотированных и др.).

Этот метод дает очень точные показатели и приме­ним к металлам любой твердости. Преимуществом ме­тода Веккерса является возможность испытания тонкого поверхностного слоя металла после различных видов обработки.

Твердость металла определяется отношением нагруз­ки Р в кг, создаваемой прибором, к площади отпечатка F в мм², вычисленной по его диагонали, и обозначается HV.

Усталость металлов — это явление их разрушения при многократном нагружении.

Повторение нагрузок значительно уменьшает проч­ность металлов и сплавов. В технике для характеристи­ки усталости металлов принято понятие выносливость — это то наибольшее напряжение, которое выдерживает металл не разрушаясь после заданного числа перемен­ных нагрузок (циклов).

Причиной разрушения металлов от усталости явля­ется охрупчивание, которое объясняется появлением в ослабленных местах металла постепенно увеличиваю­щихся микротрещин.

Усталостному разрушению под действием часто по­вторяющихся переменных нагрузок подвержены шату­ны двигателей, коленчатые валы, поршневые пальцы, поршни и др.

Дата добавления: 2014-01-07