1.5. Свойства материалов и методы их испытаний

Свойство – количественная или качественная характеристика материала, определяющая его общность или различие с другими материалами. Механические свойства определяют поведение материала при деформации и разрушении под действием внешних нагрузок. В зависимости от условий нагружения механические свойства могут определяться при статическом (нагрузка возрастает медленно и плавно), динамическом (ударный характер нагрузки) и циклическом нагружении (нагрузка многократно меняется по величине или направлению).

Испытания на растяжение. При испытании металлов на растяжение получают характеристики прочности и пластичности (ГОСТ 1497-84). Прочность – способность материала сопротивляться деформациям и разрушению. Пластичность – способность материала к пластической деформации без разрушения.

Деформацию растяжения характеризуют абсолютным удлинением или абсолютной деформацией l, равной разности длин образца после растяжения l_k и исходной l₀: l = l_k – l₀. В процессе испытания регистрируется первичная диаграмма растяжения в координатах «нагрузка P – абсолютное удлинение l» (рис. 1.27). Чтобы исключить влияние размеров и формы деталей, испытания проводят на стандартных образцах, имеющих в поперечном сечении форму круга или прямоугольника. Результаты пересчитывают в относительные величины: прикладываемую нагрузку – в механическое напряжение ; абсолютную деформацию – в относительную , где F₀ – площадь поперечного сечения образца до деформации. Построенная диаграмма называется диаграммой условных напряжений, поскольку площадь образца в процессе испытания изменяется.

Н а диаграмме растяжения выделяют следующие участки деформации: упругой до нагрузки P_упр; пластической от P_упр до P_max; разрушения от P_max до P_к.

Прямолинейный участок диаграммы ОА указывает на пропорциональную зависимость между нагрузкой Р и удлинением l. Тангенс угла наклона к оси абсцисс характеризует модуль упругости Юнга: .

Деформирование выше P_упр идет при возрастающей нагрузке до P_max, т. к. металл упрочняется. Наклеп продолжает увеличиваться, хотя растягивающая нагрузка уменьшается от P_max до P_к. Это связано с появлением в образце местного утончения – шейки, в которой развивается основная пластическая деформация. Растягивающие напряжения в шейке растут, пока при нагрузке P_к не происходит разрушение.

Пределы пропорциональности _упр, текучести _т и прочности _в определяются как отношение соответствующей нагрузки к исходной площади поперечного сечения образца F₀.

Теоретический предел упругости (_упр) – максимальное напряжение P_упр, до которого образец получает только упругую деформацию. Определить его трудно, поэтому используют условный предел упругости – напряжение, вызывающее остаточную деформацию 0,005-0,05 % от начальной длины образца, которую указывают в обозначении.

Предел текучести – сопротивление материала небольшой пластической деформации. Физический предел текучести – напряжение Р_T, при котором происходит увеличение деформации образца при постоянной нагрузке. На диаграмме растяжения появляется площадка текучести. У большинства сплавов ее нет. Условный предел текучести (_0,2) – напряжение, которому соответствует пластическая деформация 0,2 %.

Таблица 1.1

Классификация сплавов по прочности

Предел прочности (временное сопротивление разрыву) – напряжение, соответствующее максимальной нагрузке, которую выдерживает образец до разрушения: .

Пластичность материала характеризуется относительным удлинением  и относительным сужением :

,

,

где F_к – площадь поперечного сечения в месте разрыва. Принято считать металл «надежным» при   15 % и   45 %.

Испытания на изгиб. При испытании на изгиб в образце возникают растягивающие и сжимающие напряжения. По этой причине изгиб – более мягкий способ нагружения, чем растяжение. На изгиб испытывают малопластичные материалы: чугуны, инструментальные стали, стали после поверхностного упрочнения, керамику. Испытания проводят на образцах большой длины цилиндрической или прямоугольной формы, которые устанавливают на две опоры. Используют две схемы нагружения: сосредоточенной силой (применяют чаще) и двумя симметричными силами (испытания на чистый изгиб). Определяемыми характеристиками служат предел прочности и стрела прогиба.

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

Твердость – сопротивление материала проникновению в него стандартного тела (индентора), не деформирующегося при испытании. Чем больше сопротивление материала пластической деформации, тем выше твердость. Наиболее распространены методы Бринелля, Роквелла и Виккерса (рис. 1.28).

Метод Бринелля. Индентор – стальной закаленный шарик. Диаметр (D = 2,5; 5; 10 мм) и величину нагрузки P выбирают в зависимости от твердости и толщины изделия. Для термически необработанной стали и чугуна P = 30 D², для бронзы и латуни P = 10 D², свинца и других мягких металлов P = 2,5 D². Диаметр отпечатка измеряется в двух направлениях при помощи лупы Бринелля. Число твердости обозначается «HB» и определяется как отношение приложенной нагрузки к площади сферической поверхности отпечатка:

,

где Р – нагрузка на шарик (кгс); d – диаметр отпечатка (мм). Твердость по шкале Бринелля выражают в Н/мм² или МПа. Для перевода в единицы СИ необходимо умножить число твердости в кгс/мм² на 9,81.

Временное сопротивление и число твердости по Бринеллю связаны между собой следующими соотношениями: для стали _в = 0,34 НВ; для медных сплавов _в = 0,53 НВ; для алюминиевых сплавов _в = 0,37 НВ.

Метод Роквелла. Предварительная нагрузка Р₀ = 98,07 Н (10 кгс) необходима для того, чтобы исключить влияние упругой деформации и шероховатости поверхности образца на результаты измерений. В течение некоторого времени действует общая нагрузка: Р = Р₀ + Р₁. Значение твердости определяют по глубине вдавливания.

Д ля испытания мягких (до 230 НВ) материалов используется стальной шарик диаметром 1,588 мм. Нагрузка Р₁ = 980,7 Н (100 кгс). Твердость отсчитывают по шкале «В» и обозначают «HRB».

Для металлов с высокой твердостью применяют алмазный конус с углом при вершине 120 °и нагрузку Р₁ = 1471 Н (150 кгс). Твердость отсчитывают по шкале «С» (от 20 до 70 единиц), обозначают «HRC».

При испытании очень твердых материалов или тонких поверхностных слоев используют алмазный конус и нагрузку Р₁ = 588,4 Н (60 кгс), твердость отсчитывают по шкале «С», но обозначают «HRA».

Метод Виккерса. Твердость по Виккерсу «HV» определяется по размеру отпечатка алмазной четырехгранной пирамиды с углом при вершине 136 ° и нагрузке P от 10 до 1000 Н. Нагрузка ниже 50 Н используется для определения твердости тонких изделий и упрочненных поверхностных слоев металла. Диагональ отпечатка измеряют при помощи микроскопа, установленного на приборе. Число твердости определяют по формуле: HV = 0,189 Pd^-2. Числа твердости по Виккерсу и по Бринеллю для материалов, имеющих твердость до 450 НВ, совпадают.

Микротвердость определяют вдавливанием в поверхность алмазной пирамиды при небольших нагрузках (0,01-2 Н). Размер диагонали отпечатка индентора определяют штатным микроскопом. По формуле (как для метода Виккерса) определяют число твердости.

Динамический метод (по Шору). Шарик бросают на поверхность материала с заданной высоты, он отскакивает на определенную величину. Чем больше величина отскока, тем тверже материал.

М етод царапания (по Моосу). Шкала относительной твердости минералов состоит из 10 эталонов твердости (рис. 1.29): тальк – 1 (24); гипс – 2 (360); кальцит – 3 (1090); флюорит – 4 (1890); апатит – 5 (5360); полевой шпат – 6 (7950); кварц – 7 (11200); топаз – 8 (14270); корунд – 9 (20600); алмаз – 10 (100600). В скобках – значения микротвердости минералов в МПа. Из представленных данных видно, насколько алмаз тверже наиболее твердых материалов. Если эталон с твердостью 5 царапает образец, который царапает эталон с твердостью 4, то относительная твердость образца – 4,5.

Ударная вязкость характеризует способность материала сопротивляться хрупкому разрушению. Испытания проводят на образцах определенной формы и размеров. Ударную вязкость обозначают KCV, KCU и KCT. Где KC – символ ударной вязкости, третий символ показывает вид надреза на образце: острый (V), с радиусом закругления (U), наведенная трещина (Т).

Образец устанавливают на маятниковом копре (рис. 1.30) надрезом в сторону, противоположную удару маятника, который поднимают на высоту H. На разрушение образца затрачивается работа A = P  (H – h), где P – вес маятника, h – высота подъема маятника после удара. Ударная вязкость определяется как отношение работы разрушения к площади поперечного сечения (F) в месте надреза [Дж/см² (кгс/см²)].

З начение КС зависит от температуры. Для многих конструкционных материалов существует пороговая температура, при которой характер разрушения меняется скачкообразно (порог хладноломкости). Ниже данной температуры имеет место хрупкое разрушение (малая работа разрушения, склонность к образованию трещин), выше – вязкое разрушение (трещины распространяются с трудом). Для определения порога хладноломкости образцы испытывают при различных температурах и строят кривые в координатах – «ударная вязкость – температура».

Хладноломкость – склонность металла переходить в хрупкое состояние с понижением температуры. Хладоломкими являются железо, вольфрам, цинк и другие металлы, имеющие ОЦК и ГПУ решетки.

Усталость – постепенное накопление повреждений в материале при повторных знакопеременных напряжениях, не превышающих предела текучести приводящее к разрушению.

Выносливость – свойство металлов сопротивляться усталости.

Предел выносливости – максимальное напряжение, выдерживаемое материалом за базовое число циклов нагружения без разрушения.

Технологические свойства характеризуют способность материала подвергаться разным способам обработки.

Литейные свойства – определяются способностью материала к получению качественных отливок без трещин, раковин и других дефектов. Основные показатели: жидкотекучесть – способность жидкого металла заполнять полость литейной формы; усадка (линейная, объемная) – уменьшение объема материала в процессе затвердевания и охлаждения; ликвация – неоднородность химического состава отливки по объему.

Способность к обработке давлением – способность материала поддаваться пластической деформации в холодном и нагретом состоянии под действием внешних нагрузок без разрушения. Оценивается по степени допустимой деформации и силе сопротивления деформации.

Свариваемость – способность материала образовывать неразъемные соединения. Оценивается по качеству и прочности сварного шва.

Способность к обработке резанием – способность материала поддаваться обработке режущим инструментом. Оценивается по стойкости инструмента и качеству обработанной поверхности.

Эксплуатационные свойства характеризуют способность материала работать в конкретных условиях.

Износостойкость – способность материала сопротивляться поверхностному разрушению под действием внешнего трения. Количественный показатель: потеря массы материала детали с поверхности за время работы.

Коррозионная стойкость – способность материала сопротивляться действию агрессивных кислотных, щелочных сред. Количественные показатели: скорость электрохимической коррозии, оцениваемая по изменению массы металла или линейных размеров образца; степень изменения механических свойств, оцениваемая по влиянию повреждений поверхности на материал.

Жаростойкость – способность материала сопротивляться поверхностному окислению в газовой среде при высокой температуре. Количественные показатели: скорость окисления, оцениваемая по изменению массы металла или толщины оксидной пленки на поверхности; допустимая рабочая температура металла, при которой скорость окисления не превышает заданного значения.

Жаропрочность – способность материала сохранять характеристики механической прочности при высоких температурах.

Антифрикционность – способность материалов образовывать прочные граничные слои, уменьшающие трение, а также легко (упруго или пластически) деформироваться или изнашиваться. Это способствует равномерному распределению нагрузки по поверхности соприкосновения (свойство прирабатываемости).

К антифрикционности также относят микрогеометрическое строение поверхности (степень шероховатости или пористости) и способность материала «поглощать» твердые абразивные частицы, попавшие на поверхность трения, предохраняя тем самым детали от износа.