Механические свойства

К механическим свойствам металлов и сплавов отно­сятся твердость; свойства, определяемые при статичес­ком растяжении; ударная вязкость; предел выносливости.

Твердость — это способность материала сопротивляться проникнове­нию в него постороннего тела. Существуют различные методы определения твердости.

По методу Бринелля. Под действием силы F в испытуемое тело внедряется стальной шарик, диаметром D. Твердость по Бринеллю определяется:

НВ = 0,102 ∙ 2 F (Р)/ πD (D - √D² – d²),

Когда нагрузка F выражена в Н, и

НВ =2 F (Р)/ πD (D - √D² – d²),

Когда нагрузка F выражена в кгс.

При испытании стали и чугуна обычно принимают D = 10 мм и F = 2943 (300) Н (кгс), при испытании алюминия, меди, никеля и их сплавов D — 10 мм и F = 9800 (1000) Н (кгс), а при испытании мягких металлов (Pb, Sn и их сплавов) D — 10 мм и F = 2450 (250) Н (кгс)^.

Твердость по Бринеллю обозначается цифрами, характеризующими величину твердости и буквами НВ, например 185 НВ (при D =10 мм и F = 300 кгс). Твердость определяют или по при­веденным формулам, или по специальным таблицам, исходя из диаметра отпечатка d.

Чем меньше диаметр отпечатка, тем выше твердость.

Метод Бринелля не рекомендуется применять для стали с твердостью более 450 НВ, а для цветных металлов — более 200 НВ..;

По методу Роквелла. Сущность метода (ГОСТ 9013-59 (СТ СЭВ 469—77)) заключается во вдавливании наконечника с алмазным конусом с углом у вершины 120 ° (шка­лы А и С) или со стальным шариком диаметром 1,58 мм (шка­ла В) в испытуемый образец (изделие) под действием последова­тельно прилагаемых предварительной F₀ (Р₀) Н (кгс) и основ­ной F₁ (Р₁) H (кгс) нагрузок и измерений остаточного увеличе­ния е глубины внедрения наконечника после снятия основной на­грузки и сохранения предварительной нагрузки в единицах измерения 0,002 мм.

Схема определения твердости по Роквеллу приведена на рис. 17, б. Под нагрузкой F ₀ (Р₀) индикатор прибора вдавливается в образец на глубину h₀. Затем на испытуемый образец подается полная нагрузка F = F₀ + F₁ (P = Ро + P₁) и глубина погру­жения наконечника возрастает. После снятия основной нагрузки F₁, (Р₁) прибор показывает число твердости по Роквеллу HR. Чем меньше глубина вдавливания h, тем выше твердость испы­туемого материала.

Число твер­дости выражается формулой:

HRC (HRA) = 100 — е,

где е = (h — h ₀)/0,002 мм (0,002 мм — цена деления шкалы индика­тора прибора для испытания твердости по Роквеллу).

Твердость по шкале В:

HRB=130 — е

Единица твердости по Роквеллу — безразмерная величина, соответствующая осевому перемещению индикатора на 0,002 мм.

Пределы измерения твердости по шкалам А, В и С:

шкала А: 70—85 единиц;

шкала С : 22— 68 единиц,

шкала В: 25—100 единиц.

Твердость по Роквеллу обозначается цифрами, характеризующими величину твердости, и буквами HR с указанием шкалы твердости. Например, 61HRC (твердость 61 по шкале С).

По шкале С определяют твердость ма­териалов с высокой твердостью (>450 НВ), когда стальной шарик может деформироваться.

Шкала А используется для определения твердости тонких (0,5—1,0 мм) поверхностных слоев и очень твердых материалов.

По шкале В определяют твердость сравнительно мягких материа­лов (<400 НВ). Величина твердости по Роквеллу не имеет точ­ного метода перевода в другие величины твердости или прочности при растяжении.

По методу Виккерсу. Метод (ГОСТ 2999—75 (СТСЭВ470—77)) заключается во вдавливании алмазного наконечника, имею­щего форму правильной четырехгранной пирамиды, в образец (изделие) под действием нагрузки F (Р) и измерении диагонали отпечатка d, оставшегося после снятия нагрузки.

Нагрузка F (Р) может меняться от 9,8 (1) до 980 Н (100 кгс). Твердость по Виккерсу

HV = 0,189 F/d²

если F выражена в Н, и

HV = 1,854 F/d²,

если F выражена в кгс.

Метод используют для определения твердости деталей малой тол­щины и тонких поверхностных слоев, имеющих высокую твердость.

Чем тоньше материал, тем меньше должна быть нагрузка. Число твердости по Виккерсу (HV) определяют по специальным таблицам по измеренной величине d (диагонали отпечатка в мил­лиметрах).

Микротвердость ГОСТ9450—75. Определение микротвердости (твердости в микроскопически малых объемах) необходимо для тонких покрытий, отдельных структурных составляющих спла­вов, а также при измерении твердости мелких деталей. Прибор для определения микротвердости состоит из механизма для вдавливания алмазной пирамиды под небольшой нагрузкой и металлографического микроскопа. В испытываемую поверхность вдавливают алмазную пирамиду под нагрузкой 0,05—5 Н. Твер­дость Н определяют по той же формуле, что и твердость по Виккерсу:

H= 0,189 F/d²,

если F выражена в Н.

Прочность, т. е. способность материала сопротивляться разруше­нию под действием нагрузок, оценивается пределом прочности и пре­делом текучести. Важным показателем прочности материала является также удельная прочность — отношение предела прочности материала к его плотности. Предел прочности σ_в (временное сопро­тивление) — это условное напряжение, соответствующее наиболь­шей нагрузке, предшествующей разрушению образца:

σ_{в =} P_max / F₀ кгс/мм²,

где P_max — наибольшая нагрузка, кгс; F₀ — начальная площадь поперечного сечения рабочей части образца, мм².

Предел текучести σ_т — это наименьшее напряжение, при кото­ром образец деформируется без заметного увеличения нагрузки:

σ_т = P_т/ F₀ кгс/мм²

где P_т — нагрузка, при которой наблюдается площадка текучести, кгс.

Площадку текучести имеют в основном только малоуглеродистая сталь и латуни. Другие сплавы площадки текучести не имеют. Для таких материалов определяют условный предел текучести, при кото­ром остаточное удлинение достигает 0,2% от расчетной длины об­разца:

σ _0,2 = P_0,2/ F₀ кгс/мм²

где P_0,2— условная нагрузка предела текучести, кгс.

Если напряжение в металле достигнет величины σ_т и σ _0,2то деталь не восстановит форму и размеры после прекращения действия нагрузки.

Упругость, т. е. способность материала восстанавливать первона­чальную форму и размеры после прекращения действия нагрузок, оценивают пределомупругости. Предел упругости σ_0,05 -это услов­ное напряжение, соответствующее нагрузке, при которой остаточная деформация впервые достигает 0,05% от расчетной длины образца ℓ₀:

σ _0,05 = P_0,05/ F₀ кгс/мм²

где Р_0,05 — нагрузка предела упругости.

Пластичность, т. е. способность материала принимать новую фор­му и размеры под действием внешних сил, не разрушаясь, характе­ризуется относительным удлинением и относительным сужением. Относительное удлинение δ — это отношение приращения

(ℓ_к - ℓ₀) расчетной длины образца после разрыва к его первоначальной дли­не ℓ₀, выраженное в процентах:

δ=(ℓ_к - ℓ₀)/ ℓ₀ ∙100%

Относительное сужение ψ —это отношение разности начальной и минимальной площадей (F₀—F_K) поперечного сечения образца после разрыва к начальной площади F₀ поперечного сечения, выраженное в процентах:

ψ = (F₀—F_K) / F₀ ∙100%.

Чем больше значения относительного удлинения и сужения для материала, тем он более пластичен (пластичность — свойство, обратное упругости). У хрупких материалов эти значения близки к нулю. Хрупкость конструкционного материала является отрицатель­ным свойством.

Ударная вязкость, т. е. способность материала сопротивляться динамическим нагрузкам, определяется как отношение затраченной на излом образца работы А к площади его поперечного сечения F в месте надреза:

a_n = А / F

Для испытания (ГОСТ 9454—60) изготовляют специальные стан­дартные образцы, имеющие форму квадратных брусочков с надре­зом. Испытывают образец на маятниковых копрах. Свободно пада­ющий маятник копра ударяет по образцу со стороны, противопо­ложной надрезу. При этом фиксируется работа А.

Определение ударной вязкости особенно важно для некоторых металлов и сплавов, работающих при минусовых температурах и проявляющих склонность к хладноломкости. Чем больше ударная вязкость материала, тем ниже порог хладноломкости, т. е. темпера­тура, при которой вязкое разрушение материала переходит в хруп­кое, и больше запас вязкости материала.

Постепенное накопление повреждений в металле, воз­никающее при действии циклических нагрузок, приводит к образованию трещин и разрушению. Это явление на­зывается усталостью. Свойство же металлов противо­стоять усталости называется выносливостью.

Дата добавления: 2014-02-26; просмотров: 680; Нарушение авторских прав

Мы поможем в написании ваших работ!