Пределы упругости текучести прочности

7. Механические свойства

Испытание на растяжение

Модуль продольной упругости. Е, кг/мм 2 ,- постоянная упругости, представляющая собой отношение нормального напряжения к соответствующему относительному удлинению при простом растяжении (сжатии) прямого стержня в пределах применимости закона Гука, т. е. в пределах, когда деформация пропорциональна напряжению. Модуль Е нелегированных и низколегированных сталей равен 2,0-2,2 ×10 4 кГ/мм 2 .

Коэффициент Пуассона, υ или μ — абсолютная величина отношения поперечного укорочения к продольному удлинению при простом растяжении прямого стержня в пределах применимости закона Гука.

Предел упругости, σ_уп, кГ/мм 2 , — напряжение, при котором остаточные деформации впервые достигают некоторой величины, характеризуемой определенным допуском, устанавливаемым техническими условиями (например, 0,001; 0,003; 0,005; 0,03 %). Обозначаются соответственно σ_0,001, σ_0,002 и т. д.

Предел пропорциональности, σ_пц или τ_пц или σ_p, кГ/мм 2 ,- напряжение, при котором отступление от линейной зависимости между напряжениями и деформациями (от закона Гука) достигает некоторой определенной величины, устанавливаемой техническими условиями (например, увеличение тангенса угла, образуемого касательной к кривой деформации с осью напряжений, на 10, 25, 50% своего первоначального значения).

Текучесть — нарастание во времени пластической деформации материала, не связанное с повышением напряжений.

Предел текучести физический σ_T или σ_S, кГ/мм 2 , наименьшее напряжение, вызывающее распространение по рабочей части образца остаточной (пластической) деформации, без заметного увеличения нагрузки, т. е. напряжение, отвечающее нижнему положению площадки текучести в диаграмме растяжения (для материалов, обладающих текучестью).

Предел текучести условный, σ_0,2, кГ/мм 2 — напряжение, при котором остаточная деформация образца достигает некоторой определенной величины, устанавливаемой техническими условиями (большей, чем это установлено для определяемого предела упругости). Если допуск особо не оговорен, подразумевается 0,2%.

Предел прочности (временное сопротивление разрыву), σ_пч или σ_b, кГ/мм 2 ,- условное (т. е. относящееся к исходной площади поперечного сечения образца) напряжение, отвечающее наибольшей нагрузке, предшествовавшей разрушению образца.

Истинное сопротивление разрыву, S_k, кГ/мм 2 ,- истинное нормальное напряжение в момент разрыва в наименьшем поперечном сечении образца в месте разрыва.

Относительное удлинение образца при разрыве, δ, %, -отношение остающегося приращения расчетной длины образца (после разрыва) к ее исходной величине.

Индексы при символах δ_s и δ₁₀ обозначают отношение расчетной длины образца к его диаметру.

Относительное сужение (сужение), ψ, %, -отношение уменьшения площади наименьшего поперечного сечения образца (после разрыва) к исходной площади поперечного сечения.

Испытание на кручение

Сдвиг при кручении (относительный), γ — отношение длины дуги поворота (сдвига) окружности одного поперечного образца относительно окружности другого его поперечного сечения к расстоянию между этими сечениями, выраженное в процентах или отвлеченным числом.

Сдвиг разделяется на упругий, исчезающий после снятия нагрузки, и остаточный, остающийся после снятия нагрузки.

Модуль сдвига, G, кГ/мм 2 ,- постоянная упругости, представляющая собой отношение касательного напряжения к соответствующему углу сдвига в пределах применимости закона Гука.

Предел упругости при кручении, τ_уп или τ_e, кГ/мм 2 ,- наибольшее касательное напряжение (вычисленное условно по формулам для упругого кручения), при котором наибольшие остаточные удлинения или сдвиг на поверхности образца достигают впервые некоторой величины, характеризуемой определенными допусками, устанавливаемыми для них техническими условиями (напр. 0,001; 0,002; 0,003; 0,005; 0,03%). Обозначаются соответственно τ_0,001; τ_0,002 и т. д.

Предел пропорциональности при кручении, τ_пц или τ_р кГ/мм 2 — наибольшее касательное напряжение (вычисленное условно по формулам для упругого кручения), при котором отступление от линейной зависимости между напряжениями и деформациями (от закона Гука) по поверхности образца достигает некоторой определенной величины, устанавливаемой техническими условиями, большей, чем это установлено для определяемого предела упругости (например, уменьшение тангенса угла, образуемого касательной кривой деформации с осью деформации на 10, 25, 50% своего первоначального значения).

Предел текучести при кручении (условный), τ_0,3, кГ/мм 2 — касательное напряжение, вычисленное условно по формулам для упругого кручения, при котором остаточные деформации удлинения или сдвига по поверхности образца достигают 0,2%; 0,3% или другой, ранее установленной величины того же порядка, соответственно требованиям технических условий.

Условный предел прочности при кручении, τ_пч кГ/мм 2 ,- наибольшее касательное напряжение, вычисленное по формулам для упругого кручения и отвечающее наибольшему скручивающему моменту, предшествовавшему разрешению образца.

Истинный предел прочности при кручении, t_k кГ/мм 2 — наибольшее касательное напряжение, вычисленное по формуле для кручения с учетом пластической деформации и отвечающее наибольшему скручивающему моменту, предшествовавшему разрушению образца.

Относительный угол закручивания образца — отношение разности углов поворота двух сечений образца к расстоянию между ними при испытании на кручение образцов постоянного сечения или предел этого отношения.

Испытание на выносливость (усталость)

Усталость — процесс постепенного возникновения и затем развития трещины в материале под влиянием многократно повторяемых силовых воздействии на него.

Установившийся режим переменных напряжений — переменные напряжения с постоянными амплитудой, частотой и формой зависимости напряжения от времени.

Цикл напряжений — совокупность напряжений за один полный период при установившемся (простом периодическом режиме) нагружении.

Растягивающие напряжения считаются положительными, а сжимающие — отрицательными. При касательных напряжениях положительное направление выбирается произвольно.

Цикл характеризуется наибольшим σ_макс и наименьшим σ_мин значениями напряжений для нормальных напряжений и соответственно τ_макс и τ_мин и периодом Т, т. е. длительностью одного цикла.

Наибольшее напряжение цикла σ_макс — наибольшее по алгебраической величине напряжение цикла.

Наименьшее напряжение цикла σ_мин — наименьшее по алгебраической величине напряжение цикла.

Среднее напряжение цикла

алгебраическая полусумма наибольшего и наименьшего напряжений цикла.

алгебраическая полуразность наибольшего и наименьшего напряжений цикла.

Симметричный цикл — цикл с наибольшими и наименьшими напряжениями, одинаковыми по величине, но противоположные по знаку; коэффициент нессиметрии r = — 1.

Несимметричный цикл — цикл с неодинаковым по величине наибольшим и наименьшим напряжениями.

Знакопостоянный цикл — несимметричный цикл с наибольшим и наименьшим напряжениями одинаковых знаков.

Знакопеременный цикл — цикл с наибольшим и наименьшим напряжениями разных знаков.

Отнулевой цикл, пульсирующий цикл, нерекомендуемый термин,- несимметричный цикл, у которого наибольшее и наименьшее напряжения равны нулю. При применении термина следует указывать знак цикла.

Коэффициент несимметрии цикла

отношение наименьшего напряжения цикла к наибольшему напряжению цикла, взятое с алгебраическим знаком.

Предел выносливости при симметричных циклах — наибольшее для материала напряжение, которое он может выдержать повторно без разрушения N раз, где N — заданное техническими условиями большое число (например, 10 6 , 10 7 , 10 8 ).

Предел ограниченной выносливости — наибольшее напряжение цикла, которое материал может выдержать при заданном N_oгр раз, где N_огр меньше N.

Предел выносливости при данном r, кГ/мм 2 — наибольшее напряжение цикла (σ_макс, σ_макс), которое может выдержать образец заданное число N циклов нагружения.

Предел выносливости при симметричном знакопеременном цикле обозначается σ_-1 или τ_-1.

Испытание на ползучесть и на длительную прочность

Ползучесть (крип) — медленное нарастание во времени пластической деформации материала при силовых воздействиях, меньших, чем те, которые могут вызвать остаточную деформацию при испытаниях обычной длительности.

Предел ползучести — σ_пл, τ_пл — наибольшее напряжение, при котором скорость или деформация ползучести за определенный промежуток времени не превышают величины, установленной техническими условиями.

Скорость ползучести, v, % час — скорость пластической деформации при ползучести в данный момент времени и при данном напряжении.

Деформация ползучести — величина пластической деформации образца в процессе ползучести за данный промежуток времени.

Испытание на ударную вязкость

Работа разрушения при ударном изгибе — работа, расходуемая для ударного излома образца данного типа.

Ударная вязкость, а_k , кГм/см 2 ,- работа, затраченная на разрушение при изгибе, отнесенная к рабочему поперечному сечению образца.

Разрушение материала — макроскопическое нарушение сплошности материала в результате тех или иных действий на него.

Пластическое разрушение — разрушение, связанное с предшествовавшей разрушению пластической деформацией материала.

Хрупкое разрушение — разрушение, не связанное с заметной пластической деформацией.

Испытание на твердость

Твердость H — свойство материала оказывать сопрогивление при местных контактных воздействиях пластической деформации пли хрупкому разрушению в поверхностном слое при определенных условиях испытания.

Макротвердость — твердость материала, определяемая по сопротивлению пластической деформации такого по величине объема, при котором не сказывается различие в действительной твердости его отдельных микрообъемов.

Микротвердость — твердость материала в его микроскопически малых объемах.

Твердость по Бринелю, Н_Б ( или Н_B , кГ/мм 2 — твердость териала, определяемая путем вдавливания в него стального шарика при стандартных условиях испытания и вычисляемая как частное от деления нагрузки на поверхность полученного отпечатка, у которого диаметр измеряется после удаления нагрузки, а радиус поверхности условно принимается равным радиусу шарика.

Твердость по Бринелю может быть вычислена по формуле

где Р — нагрузка, кГ; D — диаметр шарика, мм; d — диаметр отпечатка, мм. Иногда твердость обозначается так: H_B10/3000/15, где 10 — диаметр шарика, мм; 3000 — нагрузка, кГ; 15 — выдержка под нагрузкой, сек. Для получения подобных отпечатков при шариках диаметрами 5 и 2,5 мм (D₅, D_2,5) нагрузку выбирают пропорционально квадрату диаметра шарика. В этих случаях условия испытаний обозначают так: 5/750/15 или 2,5/50.

Твердость по отпечатку конусом, Н_К , кГ/мм 2 — твердость материала, определяемая путем вдавливания в него стального конуса с углом при вершине в 90° и вычисляемая как частное от деления нагрузки на боковую поверхность полученного отпечатка, у которого диаметр основания измеряется после удаления нагрузки, а угол при вершине отпечатка условно принимается равным углу конусного наконечника.

Твердость по Роквеллу, H_RB , H_RC , H_RA — твердость материала, определяемая путем вдавливания стального шарика или алмазного конуса стандартных размеров и измеряемая в условных единицах с помощью разных шкал по приращению остающейся глубины погружения при переходе от малого стандартного груза к большому.

Применяются наконечники алмазного конуса с углом 120° и стальные шарики с диаметром 1,588 мм (1/16 дюйма); 3,175 мм (1/8 дюйма); 6,350 мм (1/4 дюйма).

Числа твердости получаются вычитанием разности глубин (мм), на которые вдавливается наконечник под действием двух приложенных к нему нагрузок — предварительной, равной 10 кГ, и общей (предварительной + основной) из некоторой постоянной. Для испытаний, производимых с шариковым наконечником, эта постоянная равна 0,26, для испытаний с алмазным наконечником — 0,2.

Число твердости по Роквеллу — число отвлеченное; оно обозначается знаком H_R с добавлением к индексу обозначения шкалы А, В, С, по которой производилось испытание, например:

Число твердости по Роквеллу выражается формулой

где h — предварительная глубина внедрения стального шарика или алмазного конуса под действием нагрузки в 10 кГ;

h₁ — окончательная глубина внедрения стального шарика или алмазного конуса под действием нагрузки в 60, 100 или 150 кГ после ее снятия и оставления нагрузки в 10 кГ;

k — постоянная величина, равная для шарика 0,26, для конуса 0,2;

c — углубление шарика или конуса на 0,002 мм, соответствующее одному делению циферблата индикатора.

Твердость по отпечатку пирамиды Н_п, H_V или Н_D твердость материала, определяемая путем вдавливания в него алмазной четырехгранной пирамиды стандартных размеров. Она вычисляется как частное от деления стандартной нагрузки (кГ) на поверхность полученного отпечатка (мм), у которого диагонали основания измеряются после удаления нагрузки, а углы при вершине отпечатка условно принимаются равными углам при вершине пирамидального наконечника (136°). Число твердости получают путем деления нагрузки (кГ) на поверхность отпечатка (мм 2 ), вычисленную по его диагоналям.

Число твердости определяется по формуле

где Р — нагрузка на пирамиду, кГ;

α — угол между противоположными гранями пирамиды (α = 136°);

d — среднее арифметическое обеих диагоналей отпечатка после снятия нагрузки, мм.

Твердость по царапанию, H_ц — твердость материала, определяемая путем царапания его поверхности стандартным наконечником в определенных условиях.

Твердость по отскоку (способ по Шору), Н_от или H_sh — твердость материала, определяемая при падении на него бойка в стандартных условиях и измеряемая в условных единицах по высоте отскока бойка.

Испытание твердости методом упругого отскока. При испытании твердости по этому способу измеряют величину отскакивания стандартного бойка, свободно падающего с постоянной высоты. Боек изготовляют из стали с алмазом на его конце.

Ниже в таблице приводятся данные для пересчета с одной шкалы твердости в другую.

Область напряжений, при которых происходит только упругая деформация, ограничена пределом пропорциональности σ_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 σ_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 σ_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 σ_пц

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 рис. 7.6. 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 существуют металлы с ярко выраженным переходом в пластическое состояние. Диаграммы растяжения таких металлов имеют горизонтальный участок, и они характеризуются не условным, а физическим пределом текучести.

Самые важные параметры упругого состояния – предел упругости σ_у и модули упругости.

Предел упругости определяет предельно допустимые эксплуатационные нагрузки, при которых металл испытывает только упругие или небольшие допустимые упругопластические 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, тем меньше величина упругих деформаций при равных напряжениях и, следовательно, больше жесткость конструкции. Упругие деформации не могут быть больше величины σ_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 макропластических деформаций, однако в его отдельных микроскопических объемах могут происходить локальные микропластические 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 σ_у / σ_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 σ_у / σ_0.2.

ПРЕДЕЛ ПРОЧНОСТИ. При напряжениях, превышающих предел текучести σ_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 σ_в, относительное удлинение после разрыва δ и относительное сужение после разрыва ψ. Картина растяжения при напряжениях, превышающих предел текучести, сводится к двум вариантам, представленным на рисунке 7.6.

В первом случае наблюдается равномерное растяжение всего образца — происходит равномерная пластическая деформация, которая завершается разрывом образца при напряжении σ_в. В этом случае σ_в это условный предел прочности при растяжении, а δ и ψ определяют максимальную равномерную пластическую деформацию.

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

В любом случае разница (σ_в – σ_0.2) определяет интервал условных напряжений, в котором происходит равномерная пластическая деформация, а отношение σ_0.2/σ_В характеризует степень упрочнения. В отожженном металле σ_0.2/σ_В = 0,5 — 0,6, а после деформационного упрочнения (наклепа) оно увеличивается до 0,9 – 0,95.

Слово «условный» применительно к σ_в означает, что оно меньше «истинного» напряжения S_В действующего в образце. Дело в том, что напряжение σ 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 σ_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 σ_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 σ_в и δ, они всегда определяются при массовых заводских испытаниях, а их значения обязательно приводятся во всех справочниках.

Рис.7.7. Диаграмма одноосного растяжения стержня

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.

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 σ_в.

Возможности пластического деформирования характеризует отношение σ_0.2 /σ_в. При σ_0.2 /σ_в = 0,5 – 0,6 металл допускает большие пластические деформации (δ и ψ составляют десятки процентов). Наоборот, при σ_0.2 /σ_в = 0,95 – 0,98 металл ведет себя как хрупкий: область пластических деформаций практически отсутствует (δ и ψ составляют 1-3%).

Чаще всего пластические свойства оценивают по величине относительного удлинения при разрыве δ. 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 δ, 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 оценивается 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.

ТВЕРДОСТЬ. Обобщенной характеристикой упругопластических 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, упругопластические 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.

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

В методе Роквелла 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.

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 2 ) 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, 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 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.

Также не существует прямой связи твердости с пределами текучести или прочности, хотя на практике часто используется соотношение σ_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 σ_0.2 и σ_0.2 /σ_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 упругопластическому 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 упругопластические свойства. При этом, выбор метода и условий измерения может преимущественно характеризовать или его упругие или, наоборот, пластические свойства.

Металлам присущи высокая пластичность, тепло- и электропро­водность. Они имеют характерный металлический блеск.

Свойствами металлов обладают около 80 элементов периодиче­ской системы Д.И. Менделеева. Для металлов, а также для метал­лических сплавов, особенно конструкционных, большое значение имеют механические свойства, основными из которых являются прочность, пластичность, твердость и ударная вязкость.

Под действием внешней нагрузки в твердом теле возникают на­пряжение и деформация. Напряжение это нагрузка (сила), отнесенная к первоначальной площади поперечного сече­ния образца.

Деформация – это изменение формы и размеров твердого тела под действием внешних сил или в результате физических процессов, возникающих в теле при фазовых превращениях, усадке и т.п. Де­формация может быть упругая (исчезает после снятия нагрузки) и пластическая (сохраняется после снятия нагрузки). При все возрас­тающей нагрузке упругая деформация, как правило, переходит в пла­стическую, и далее образец разрушается.

В зависимости от способа приложения нагрузки методы испытания механических свойств ме­таллов, сплавов и других материалов делятся на статические, динамические и знакопеременные.

Прочность – способность металлов оказывать сопротивление де­формации или разрушению статическим, динамическим или знако­переменным нагрузкам. Прочность металлов при статических нагрузках испытывают на растяжение, сжатие, изгиб и кручение. Испытание на разрыв является обязательным. Прочность при динамических нагрузках оценивают удельной ударной вязкостью, а при знакопеременных нагрузках – усталостной прочностью.

Для определения прочности, упругости и пластичности металлы в виде образцов круглой или плоской формы испытывают на статическое растяжение. Испытания проводят на разрывных машинах. В результате испытаний получают диаграмму растяжения (рис. 3.1). По оси абсцисс этой диаграммы откладывают значения деформации, а по оси ординат – значения напряжения, приложенного к образцу.

Из графика видно, что сколь бы ни было мало приложенное напряжение, оно вызывает деформацию, причем начальные деформации являются всегда упругими и величина их находится в прямой зависимости от напряжения. На кривой, приведенной на диаграмме (рис. 3.1), упругая деформация характеризуется линией ОА и ее продолжением.

Рис. 3.1. Кривая деформации

Выше точки А нарушается пропорциональность между напряжением и деформацией. Напряжение вызывает уже не только упругую, но и остаточную, пластическую деформацию. Величина ее равна горизонтальному отрезку от штриховой линии до сплошной кривой.

При упругом деформировании под действием внешней силы изменяется расстояние между атомами в кристаллической решетке. Снятие нагрузки устраняет причину, вызвавшую изменение межатомного расстояния, атомы становятся на прежние места и деформация исчезает.

Пластическое деформирование представляет собой совершенно другой, значительно более сложный процесс. При пластическом деформировании одна часть кристалла перемещается по отношению к другой. Если нагрузку снять, то перемещенная часть кристалла не возвратится на старое место; деформация сохранится. Эти сдвиги обнаруживаются при микроструктурном исследовании. Кроме того, пластическое деформирование сопровождается дроблением блоков мозаики внутри зерен, а при значительных степенях деформации наблюдается также заметное изменение форм зерен и их расположения в пространстве, причем между зернами (иногда и внутри зерен) возникают пустоты (поры).

Представленная зависимость ОАВ (см. рис. 3.1) между приложенным извне напряжением (σ) и вызванной им относительной деформацией (ε) характеризует механические свойства металлов.

· наклон прямой ОА показывает жесткость металла, или характеристику того, как нагрузка, приложенная извне, изменяет межатомные расстояния, что в первом приближении характеризует силы межатомного притяжения;

· тангенс угла наклона прямой ОА пропорционален модулю упругости (Е), который численно равен частному от деления напряжения на относительную упругую деформацию:

· напряжение, которое называется пределом пропорциональности (σ_пц), соответствует моменту появления пластической деформации. Чем точнее метод измерения деформации, тем ниже лежит точка А;

· в технических измерениях принята характеристика, именуемая пределом текучести (σ_0,2). Это напряжение, вызывающее остаточную деформацию, равную 0,2 % от длины или другого размера образца, изделия;

· максимальное напряжение (σ_в) соответствует максимальному напряжению, достигнутому при растяжении, и называется временным сопротивлением или пределом прочности.

Еще одной характеристикой материала является величина пластической деформации, предшествующая разрушению и определяемая как относительное изменение длины (или поперечного сечения) – так называемое относительное удлинение (δ) или относительное сужение (ψ), они характеризуют пластичность металла. Площадь под кривой ОАВ пропорциональна работе, которую надо затратить, чтобы разрушить металл. Этот показатель, определяемый различными способами (главным образом путем удара по надрезанному образцу), характеризует вязкость металла.

При растяжении образца до разрушения фиксируются графически (рис. 3.2) зависимости между приложенным усилием и удлинением образца, в результате этого получают так называемые диаграммы деформации.

Рис. 3.2. Диаграмма «усилие (напряжение) – удлинение»

Деформация образца при нагружении сплава сначала является макроупругой, а затем постепенно и в разных зернах при неодинаковой нагрузке переходит в пластическую, происходящую путем сдвигов по дислокационному механизму. Накопление дислокаций в результате деформации ведет к упрочнению металла, но при значительной их плотности, особенно в отдельных участках, возникают очаги разрушения, приводящие, в конечном счете, к полному разрушению образца в целом.

Прочность при испытании на растяжение оценивают следующими характеристиками:

1) пределом прочности на разрыв;

2) пределом пропорциональности;

3) пределом текучести;

4) пределом упругости;

5) модулем упругости;

6) пределом текучести;

7) относительным удлинением;

8) относительным равномерным удлинением;

9) относительным сужением после разрыва.

Предел прочности на разрыв (предел прочности или временное сопротивление разрыву) σ_в, – это напряжение, отвечающее наибольшей нагрузке Р_В предшествующей разрушению образца:

Эта характеристика является обязательной для металлов.

Предел пропорциональности (σ_пц) – это условное напряжение Р_пц, при котором начинается отклонение от пропорциональной зависимости мости между деформацией и нагрузкой. Он равен:

Значения σ_пц измеряют в кгс/мм 2 или в МПа.

Предел текучести (σ_т) – это напряжение (Р_т) при котором обра­зец деформируется (течет) без заметного увеличения нагрузки. Вычисляется по формуле:

Предел упругости (σ_0,05) – напряжение, при котором остаточное удлинение достигает 0,05 % длины участка рабочей части образца, равного базе тензометра. Предел упругости σ_0,05 вычисляют по формуле:

Модуль упругости (Е) – отношение приращения напряжения к соответствующему приращению удлинения в пределах упругой деформации. Он равен:

где ∆Р – приращение нагрузки; l – начальная расчетная длина образца; l_ср – среднее приращение удлинения; F – начальная площадь поперечного сечения.

Предел текучести (условный) – напряжение при котором остаточное удлинение достигает 0,2 % длины участка образца на его рабочей части, удлинение которого принимается в расчет при определении указанной характеристики.

Условный предел текучести определяют только при отсутствии на диаграмме растяжения площадки текучести.

Относительное удлинение (после разрыва) – одна из характеристик пластичности материалов, равная отношению приращения расчетной длины образца после разрушения (l_к) к начальной расчетной длине (l) в процентах:

Относительное равномерное удлинение (δ_р) – отношение приращения длины участков в рабочей части образца после разрыва к длине до испытания, выраженное в процентах.

Относительное сужение после разрыва (ψ), как и относительное удлинение – характеристика пластичности материала. Определяется как отношение разности F и минимальной (F_к) площади поперечного сечения образца после разрушения к начальной площади поперечного сечения (F), выраженное в процентах:

Упругость – свойство металлов восстанавливать свою прежнюю форму после снятия внешних сил, вызывающих деформацию. Упру­гость – свойство, обратное пластичности.

Очень часто для определения прочности пользуются простым, не разрушающим изделие (образец), упрощенным методом – измерением твердости.

Под твердостью материала понимается сопротивление проникновению в него постороннего тела, т.е., по сути дела, твердость тоже характеризует сопротивление деформации. Существует много методов определения твердости. Наиболее распространенным является метод Бринелля (рис. 3.3, а), когда в испытуемое тело под действием силы Р внедряется шарик диаметром D. Число твердости по Бринеллю (НВ) есть нагрузка (Р), деленная на площадь сферической поверхности отпечатка (диаметром d).

Рис. 3.3. Испытание на твердость:

а – по Бринеллю; б – по Роквеллу; в – по Виккерсу

При измерении твердости методом Виккерса (рис. 3.3, б) вдавливается алмазная пирамида. Измерив диагональ отпечатка (d), судят о твердости (HV) материала.

При измерении твердости методом Роквелла (рис. 3.3, в) индентором служит алмазный конус (иногда маленький стальной шарик). Число твердости – это значение, обратное глубине вдавливания (h). Имеются три шкалы: А, В, С (табл. 3.1).

Методы Бринелля и Роквелла по шкале B применяют для мягких материалов, а метод Роквелла по шкале C – для твердых, а метод Роквелла по шкале A и метод Виккерса – для тонких слоев (листов). Описанные методы измерения твердости характеризуют среднюю твердость сплава. Для того чтобы определить твердость отдельных структурных составляющих сплава, надо резко локализовать деформацию, вдавливать алмазную пирамиду на определенное место, найденное на шлифе при увеличении в 100 – 400 раз под очень небольшой нагрузкой (от 1 до 100 гс) с последующим измерением под микроскопом диагонали отпечатка. Полученная характеристика (Н) называется микротвердостью, и характеризует твердость определенной структурной составляющей.

Таблица 3.1 Условия испытания при измерении твердости методом Роквелла

При испытании алмазным конусом и нагрузке Р = 150 кгс