Описания проверки металлов на прочность. Черчение

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. 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:

σ в = Р в /F 0 ,

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:

σ пц = Р пц /F 0 .

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:

σ т = Р т /F 0 .

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:

σ 0,05 = Р 0,05 /F 0 .

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

Е = Рl 0 / l ср F 0 ,

где ∆Р – приращение нагрузки; l 0 – начальная расчетная длина образца; l ср – среднее приращение удлинения; F 0 – 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.

Вычисляется по формуле:

σ 0,2 = Р 0,2 /F 0 .

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 0 ) 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 0 и минимальной (F к ) площади поперечного сечения образца после разрушения к начальной площади поперечного сечения (F 0 ), 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

Условия испытания		Обозначение т вердости
Р = 150 кгс
При испытании алмазным конусом и нагрузке Р = 60 кгс
При вдавливании стального шарика и нагрузке Р = 100 кгс

Значение НВ измеряют в кгс/мм 2 (в этом случае единицы часто не указываются) или в СИ – в МПа (1 кгс/мм 2 = 10 МПа).

Вязкость – способность металлов оказывать сопротивление ударным нагрузкам. Вязкость – свойство, обратное хрупкости. Многие детали в процессе работы испытывают не только статиче­ские нагрузки, но подвергаются также ударным (динамическим) нагрузкам. Например, такие нагрузки испытывают колеса локомо­тивов и вагонов на стыках рельсов.

Основной вид динамических испытаний – ударное нагружение надрезанных образцов в условиях изгиба. Динамическое нагружение ударом осуществляется на маятниковых копрах (рис. 3.4), а также падающим грузом. При этом определяют работу, затраченную на деформацию и разрушение образца.

Обычно в этих испытаниях, определяют удельную работу, затраченную на деформацию и разрушение образца. Ее рассчитывают по формуле:

КС = K / S 0 ,

где КС – удельная работа; К – полная работа деформации и разрушения образца, Дж; S 0 – поперечное сечение образца в месте надреза, м 2 или см 2 .

Рис. 3.4. Испытания на ударную вязкость с помощью маятникового копра

Ширина образцов всех типов измеряется до испытаний. Высоту образцов с U- и V-образным надрезом измеряют до испытаний, а с Т-образным надрезом уже после испытаний. Соответственно удельная работа деформации разрушения обозначается KCU, KCV и КСТ.

Хрупкость металлов в условиях низких температур называют хладоломкостью . Значение ударной вязкости при этом существенно ниже, чем при комнатной температуре.

Ещё одной характеристикой механических свойств материалов является усталостная прочность . Некоторые детали (валы, шатуны, рес­соры, пружины, рельсы и т.п.) в процессе эксплуатации испытывают нагрузки, изменяющиеся по величине или одновременно по величи­не и направлению (знаку). Под действием таких знакопеременных (вибрационных) нагрузок металл как бы устает, прочность его понижается и деталь разрушается. Это явление называют усталостью металла, а образовавшиеся изломы – усталостными. Для таких деталей необходимо знать предел выносливости , т.е. величину наибольшего напряжения, которое металл может выдер­жать без разрушения при заданном числе перемен нагрузки (циклов) (N ).

Износостойкость – сопротивление металлов изнашиванию вслед­ствие процессов трения. Это важная характеристика, например, для контактных материалов и, в частности, для контактного провода и токосъемных элементов токоприемника электрифицированного транс­порта. Износ заключается в отрыве с трущейся поверхности отдель­ных ее частиц и определяется по изменению геометрических размеров или массы детали.

Усталостная прочность и износостойкость дают наиболее полное представление о долговечности деталей в конструкциях, а вязкость характеризует надежность этих деталей.

Механические свойства характеризуют способность материала сопротивляться деформации и разрушению под действием приложенных нагрузок.

По характеру изменения во времени действующей нагрузки механи-ческие испытания могут быть статическими (на растяжение, сжатие, изгиб, кручение), динамическими (на ударный изгиб) и циклическими (на усталость).

По воздействию температуры на процесс их делят на испытания при комнатной температуре, низкотемпературные и высокотемпературные (на длительную прочность, ползучесть).

Статические испытания проводятся при воздействии на образец с определенной скоростью постоянно действующей нагрузки. Скорость деформации составляет от 10 - 4 до 10 - 1 с - 1 . Статические испытания на растяже-ние относятся к наиболее распространенным. Свойства, определяемые при этих испытаниях, приведены в многочисленных стандартах по техническим условиям на материалы. К статическим относятся испытания на растяжение, сжатие, изгиб, кручение.

Динамические испытания характеризуются приложением к образцу ударной нагрузки и значительной скоростью деформации. Длительность ис-пытания не превышает сотен долей секунды. Скорость деформации состав-ляет около 10 2 с - 1 . Динамические испытания чаще всего проводят по схеме ударного изгиба образцов с надрезом.

Циклические испытания характеризуются многократными измене-ниями нагрузки по величине и по направлению. Примером испытаний явля-ются испытания на усталость, они длительны и по их результату определяют число циклов до разрушения при разных значениях напряжения. В конечном итоге находят предельные напряжения, который образец выдерживает без разрушения в течение определенного числа циклов нагружения.

Испытания на твердость.

Простейшим механическим свойством является твердость. Методы определения твердости в зависимости от скоро-сти приложения нагрузки делятся на статические и динамические, а по спо-собу ее приложения - на методы вдавливания и царапания. Методы опреде-ления твердости по Бринеллю, Роквеллу, Виккерсу относятся к статическим методам испытания.

Твердость - это способность материала сопротивляться вдавливанию в него более твердого тела (индентора) под действием внешних сил.

При испытании на твердость в поверхность материалов вдавливают пирамиду, конус или шарик (индентор), в связи с чем различают методы ис-пытаний, соответственно, по Виккерсу, Роквеллу и Бринеллю. Кроме того, существуют менее распространенные методы испытания твердости: метод упругого отскока (по Шору), метод сравнительной твердости (Польди) и не-которые другие.

При испытании материалов на твердость не изготавливают стандарт-ных специальных образцов, однако к размерам и поверхности образцов и изделий предъявляются определенные требования.

Твердость по Виккерсу (ГОСТ 2999-75) устанавливают путем вдавли-вания в металл индентора - алмазной пирамиды с углом при вершине 136° под действием постоянной нагрузки Р: 1; 2; 2,5; 3; 5; 10; 20; 30; 50 или 100 кгс и выдержки под нагрузкой в течение 10-15 с. Для определения твердости черных металлов и сплавов используют нагрузки от 5 до 100 кгс, медных сплавов - от 2,5 до 50 кгс, алюминиевых сплавов - от 1 до 100 кгс. После снятия нагрузки с помощью микроскопа прибора находят длину диагонали отпечатка, а твердость HVрассчитывают по формуле

HV = 1,854*P/d 2

где Р - нагрузка, кгс; d- диагональ отпечатка, мм.

Имеется таблица зависимости твердости от величины нагрузки и дли-ны диагонали. Поэтому на практике вычислений не производят, а пользуются готовой расчетной таблицей. Твердость по Виккерсу HVизмеряется в кгс/мм 2 , Н/мм 2 или МПа. Значение твердости по Виккерсу может изменяться от HV2060 до HV5 при нагрузке 1 кгс.

По методу Бриннелля вдавливают в образец или изделие стальной закаленный шарик диаметром 10, 5 или 2,5 мм под действием нагрузок 3000, 1000, 750, 500, 250, 62,5 кгс и др. (ГОСТ 9012-59, рис. 1.). Полученный круглый отпечаток на образце измеряют под лупой и по таблицам находят величину твердости по Бринеллю, значение которой не превышает 450 НВ. Твердость по Бринеллю почти совпадает со значениями твердости по Виккерсу.

Твердость НВ - это также величина напряжений сопротивления вдавливанию:

HB=P/F ot =P/πDt=2P/πD(D-√(D 2 -d 2))

F ot - площадь отпечатка, мм 2 ;

t- глубина сегмента отпечатка;

D- диаметр шарика, мм;

d- диаметр отпечатка, мм.

Твердость по Бринеллю НВ (по умолчанию) имеет размерность кгс/мм 2 , например, твердость алюминиевого спла-ва равна 70 НВ. При нагрузке, определяе-мой в ньютонах, твердость по Бринеллю измеряется в МПа. Например, твердость отожженной стали равна 207 НВ при на-грузке 3000 кгс, диаметре шарика 10 мм, диаметре отпечатка 4,2 мм или, учитывая коэффициент перевода: 1 Н = 9,8 кгс,

НВ = 2 028 МПа.

Рис. 1. Схема определения твердости по Бринеллю

По методу Роквелла (ГОСТ 9013-59) вдавливают алмазный конус с углом при вершине 120° (шкалы А и С) или стальной шарик диаметром 1,5875 мм (шкала В).

При этом определяют твердость, соответственно, HRA, HRC и HRB. В на-стоящее время измерение твердости по методу Роквелла является наиболее распространенным методом, потому что при использовании твердомеров Ро-квелла не требуется измерять отпечаток, число твердости считывается со шкалы прибора сразу после снятия основной нагрузки.

Метод заключается во вдавливании в испытуемый образец индентора под действием двух последовательно прикладываемых нагрузок - предвари-тельной Р 0 и основной Р 1 которая добавляется к предварительной, так что общая нагрузка Р = Р 0 + Р 1 После выдержки в течение нескольких секунд ос-новную нагрузку снимают и измеряют остаточную глубину проникновения индентора, который при этом продолжает находиться под действием предва-рительной нагрузки. Перемещение основной стрелки индикатора на одно де-ление шкалы соответствует перемещению индентора на 0,002 мм, которое принимается за единицу твердости.

На рис. 2 представлена схема измерения твердости по методу Рок-велла алмазным или твердосплавным конусом. При испытаниях измеряют глубину восстановленного отпечатка. Шкалы А и С между собой совпадают, поскольку испытания проводят одним и тем же индентором - алмазным ко-нусом, но при разных нагрузках: 60 и 150 кгс соответственно. Твердость в этом случае определяется как

HRC= t/0,002=100-(H-h)/0,002

HRB = 130-(H-h)/0,002

Рис. 2. Схема определения твердости по Роквеллу (индентор - конус)

На практике значения твердости по Роквеллу не рассчитываются по формулам, а считываются с соответствующей (черной или красной) шкалы прибора. Шкалы HRC и HRA используются для высокой твердости, HRB -для низкой. Число твердости по Роквеллу измеряют в условных единицах, оно является мерой глубины вдавливания индентора под определенной на-грузкой.

Испытание на растяжение материалов проводят в соответствии с ГОСТ 1497-84 «Методы испытаний на растяжение». Стандарт устанавливает методы статических испытаний на растяжение черных и цветных металлов для определения при температуре 20 °С пределов пропорциональности, уп-ругости, текучести, временного сопротивления разрыву, относительного уд-линения и относительного сужения, модуля упругости.

Для испытаний применяют плоские и цилиндрические образцы, выре-занные из детали или специально изготовленные. Размеры образцов регла-ментированы указанным стандартом, они подчиняются геометрическому по-добию и могут быть короткими и длинными. Для цилиндрического образца берется соотношение начальной рабочей длины l 0 и исходного диаметра d 0: l 0 = 5d 0 - короткий образец, l 0 = 10d 0 - длинный образец. Для плоского образца берется соотношение рабочей длины l 0 и площади поперечного сечения F 0:

l 0 = 5,65√F 0 - короткий образец, l 0 = 11,3√F 0 - длинный образец. Цилиндри-ческие образцы изготавливаются диаметром 3 мм и более. Образцы состоят из рабочей части длиной l 0 и головок, форма и размер которых соответствуют захватам машины (рис. 3).

Рис. 3. Цилиндрические и плоские образцы до (а) и после (б) испытания на растяжение

Растяжение образца проводят на специальных машинах, позволяющих фиксировать величину прилагаемой нагрузки и изменение длины образца при растяжении. Эти же машины дают возможность записывать изменение длины образца при увеличении нагрузки (рис. 4), т.е. первичную диаграмму испытания на растяжение в координатах: нагрузка Р, Н, кН; и абсолютное удлинение образца А, мм.

Рис. 4. Первичная диаграмма растяжения

Измеряя величину нагрузки в характерных точках диаграммы испы-таний на растяжение (рис.4), определяют следующие параметры механиче-ских свойств материалов:

σ пц - предел пропорциональности, точка р;

σ 0,05 - предел упругости, точка е;

σ т - предел текучести физический, точка s ;

σ 0,2 - предел текучести условный;

σ в - временное сопротивление разрыву, или предел прочности, точка b .

Значения 0,05 и 0,2 в записи предела упругости и текучести соответ-ствуют величине остаточной деформации ∆l в процентах от l 0 при растяжении образца. Напряжения при испытании на растяжение вычисляют путем деления нагрузки Р, соответствующей характерной точке на диаграмме, на площадь первоначального поперечного сечения F 0 рабочей части испытуемо-го образца:

σ пц =P пц / F 0 ; σ 0,05 =P 0,05 / F 0 ; σ т =P т / F 0 , или σ в =P max / F 0 ;

Площадь поперечного сечение F 0 определяется по следующим формулам:

для цилиндрического образца

F 0 = πd 0 2 / 4

для плоского образца

где а 0 - первоначальная толщина; b 0 - первоначальная ширина образца.

В точке k устанавливают напряжение сопротивления разрушению материала.

Предел пропорциональности и предел упругости определяют с помо-щью тензометра (прибор для определе-ния величины деформации). Предел текучести физический и условный рассчи-тывают, находя нагрузку по диаграмме растяжения. Если на диаграмме нет площадки текучести, то для вычисления условного предела текучести необходи-мо провести графические построения на диаграмме (рис. 1.5). Вначале находят величину остаточной деформации, рав-ную 0,2 % от l 0 , далее отмечают отрезок на оси деформации, равный 0,2 % от l 0 , и проводят линию, параллельную пропорциональному участку диаграммы рас-тяжения, до пересечения с кривой растяжения.

Рис. 5. Определение предела текучести

Нагрузка P 0,2 соответствует точке их пересечения. Физический и условный предел текучести характери-зуют способность материала к началу пластической деформации, т.е. сопротивление малой пластической деформации.

Предел прочности можно подсчитать, используя показания силоизмерителя, по максимальной нагрузке Р max при разрыве либо найти Р max (Р в) по первичной диаграмме растяжения. Характер деформации при растяжении вязких и хрупких материалов существенно различается.

Хрупкие материалы после достижения максимальной нагрузки быстро разрушаются без значительной пластической деформации, поэтому σ в для

хрупких материалов является характеристикой сопротивления разрушению, а для пластичных - характеристикой сопротивления деформации.

Напряжение разрушения определяют как истинное. При этом нагруз-ку разрушения делят на конечную площадь поперечного сечения образца после разрушения F K:

S к =P к /F к

Все рассчитанные таким образом величины являются характеристи-ками прочности материала.

Пластичност ь, т.е. способность деформироваться без разрушения, характеризуется изменениями размеров образца. При испытании на разрыв определяют следующие характеристики пластичности:

относительное удлинение

δ=(l k -l 0)/ l 0 *100%

относительное сужение

Ψ=(F 0к -F)/ F 0 *100%

где l к, F к — соответственно, длина рабочей части и площадь поперечного сече-ния образца после разрыва.

Рассчитанные характеристики механических свойств после испытания на растяжение заносятся в протокол.

Испытания на ударный изгиб.

Ударная вязкость характеризует удельную работу, затрачиваемую на разрушение при ударе образца с надре-зом. Ударная вязкость испытывается на маятниковом копре с постоянным запасом работы маятника по ГОСТ 9454-78 «Металлы. Метод испытания на ударный изгиб при пониженной, комнатной и повышенной температурах». Стандарт распространяется на черные и цветные металлы и сплавы и уста-навливает метод испытания при температурах от -100 до +1000 °С. Метод основан на разрушении ударом маятникового копра образца с концентрато-ром напряжений. В результате испытания определяют полную работу, затра-ченную при ударе К, или ударную вязкость КС.

Используют образцы прямоугольной формы с концентратором типа U, V, Т (усталостная трещина). Наиболее распространенными образцами являются образцы размерами 55x10x10 мм с U-концентратом 2x2 мм (рис. 6).

Рис. 6. Стандартный образец с U -образным надрезом для испытаний на ударный изгиб

На разрушение ударом образца затрачивается только часть энергии маятника, в связи с чем маятник после разрушения образца продолжает дви-гаться, отклоняясь на определенный угол. Чем больше величина работы, за-трачиваемой на разрушение образца, тем на меньший угол он отклоняется от вертикали после разрушения. По величине этого угла и определяют работу удара К или работу, затраченную на разрушение образца. Работу разрушения К относят к площади поперечного сечения образца Soв месте излома и тем самым находят КС - ударную вязкость:

где Kизмеряется в Дж (кгс*м), S 0 — в м 2 (см 2).

В зависимости от вида концентратора ударная вязкость обозначается

KCU, KCV, КСТ и имеет размерность МДж/м 2 (МДж/см 2) или кгс*м/см 2 .

К основным механическим свойствам относят прочность, пластичность, твердость, ударную вязкость и упругость. Большинство показателей механических свойств определяют экспериментально растяжением стандартных образцов на испытательных машинах.

Прочность - способность металла сопротивляться разрушению при действии на него внешних сил.

Пластичность - способность металла необратимо изменять свою форму и размеры под действием внешних и внутренних сил без разрушения.

Твердость - способность металла сопротивляться внедрению в него более твердого тела. Твердость определяют с помощью твердомеров внедрением стального закаленного шарика в металл (на приборе Бринелля) или внедрением алмазной пирамиды в хорошо подготовленную поверхность образца (на приборе Роквелла). Чем меньше размер отпечатка, тем больше твердость испытуемого металла. Например, углеродистая сталь до закалки имеет твердость 100 . . . 150 НВ (по Бринеллю) , а после закалки - 500 . . . 600 НВ.

Ударная вязкость - способность металла сопротивляться действию ударных нагрузок. Эта величина, обозначаемая КС (Дж/см 2 или кгс м/см), определяется отношением механической работы А, затраченной на разрушение образца при ударном изгибе, к площади поперечного сечения образца.

Упругость - способность металла восстанавливать форму и объем после прекращения действий внешних сил. Эта величина характеризуется модулем упругости Е (МПа или кгс/мм 2), который равен отношению напряжения а к вызванной им упругой деформации . Высокой упругостью должны обладать стали и сплавы для изготовления рессор и пружин.

Механические свойства металлов

Под механическими свойствами понимают характеристики, определяющие поведение металла (или другого материала) под действием приложенных внешних механических сил. К механическим свойствам обычно относят сопротивление металла (сплава) деформации (прочность) и сопротивление разрушению (пластичность, вязкость, а также способность металла не разрушаться при наличии трещин).

В результате механических испытаний получают числовые значения механических свойств, т. е. значения напряжений или деформаций, при которых происходят изменения физического и механического состояний материала.

Оценка свойств

При оценке механических свойств металлических материалов различают несколько групп их критериев.

1. Критерии, определяемые независимо от конструктивных особенностей и характера службы изделий. Эти критерии находятся путем стандартных испытаний гладких образцов на растяжение, сжатие, изгиб, твердость (статические испытания) или на ударный изгиб образцов с надрезом (динамические испытания).
2. Прочностные и пластические свойства, определяемые при статических испытаниях на гладких образцах хотя и имеют важное значение (они входят в расчетные формулы) во многих случаях не характеризуют прочность этих материалов в реальных условиях эксплуатации деталей машин и сооружений. Они могут быть использованы только для ограниченного числа простых по форме изделий, работающих в условиях статической нагрузки при температурах, близких к нормальной.
3. Критерии оценки конструктивной прочности материала, которые находятся в наибольшей корреляции со служебными свойствами данного изделия и характеризуют работоспособность материала в условиях эксплуатации.

Конструкторская прочность металлов

Критерии конструктивной прочности металлических материалов можно разделить на две группы:

• критерии, определяющие надежность металлических материалов против внезапных разрушений (вязкость разрушения, работа, поглощаемая при распространении трещин, живучесть и др.). В основе этих методик, использующих основные положения механики разрушения, лежат статические или динамические испытания образцов с острыми трещинами, которые имеют место в реальных деталях машин и конструкциях в условиях эксплуатации (надрезы, сквозные отверстия, неметаллические включения, микропустоты и т. д.). Трещины и микронесплошности сильно меняют поведение металла под нагрузкой, так как являются концентраторами напряжений;
• критерии, которые определяют долговечность изделий (сопротивление усталости, износостойкость, сопротивление коррозии и т. д.).

Критерии оценки

Критерии оценки прочности конструкции в целом (конструкционной прочности), определяемые при стендовых, натурных и эксплуатационных испытаниях. При этих испытаниях выявляется влияние на прочность и долговечность конструкции таких факторов, как распределение и величина остаточных напряжений , дефектов технологии изготовления и конструирования металлоизделий и т. д.

Для решения практических задач металловедения необходимо определять как стандартные механические свойства, так и критерии конструктивной прочности.

§ 4. МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА

Способность металла сопротивляться воздействию внешних сил характеризуется механическими свойствами. Поэтому при выборе материала для изготовления деталей машин необходимо прежде всего учитывать его механические свойства: прочность, упругость, пластичность, ударную вязкость, твердость и выносливость. Эти свойства определяют по результатам механических испытаний, при которых металлы подвергают воздействию внешних сил (нагрузок). Внешние силы могут быть статическими, динамическими или циклическими (повторно-переменными). Нагрузка вызывает в твердом теле напряжение и деформацию.
Напряжение - величина нагрузки, отнесенная к единице площади поперечного сечения испытуемого образца. Деформация – изменение формы и размеров твердого тела под влиянием приложенных внешних сил. Различают деформации растяжения (сжатия), изгиба, кручения, среза (рис. 8). В действительности материал может подвергаться одному или нескольким видам деформации одновременно.

Рис. 8. Виды деформаций:
а - сжатие, б - растяжение, в - кручение, г - срез, д - изгиб

Рис. 9. Диаграмма растяжения:
а - условная диаграмма в координатах Р-∆l, б – условная диаграмма напряжений и диаграмма истинных напряжений

Для определения прочности, упругости и пластичности металлы в виде образцов круглой или плоской формы испытывают на статическое растяжение (ГОСТ 1497-73). Испытания проводят на разрывных машинах. В результате испытаний получают диаграмму растяжения (рис. 9). По оси абсцисс этой диаграммы откладывают значения деформации, а по оси ординат - нагрузки, приложенные к образцу.
Прочность - 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 в Па (Н/м 2), соответствующее наибольшей нагрузке, предшествующей разрушению образца: σ в =P max /F 0 , где P max - наибольшая нагрузка, Н; F 0 - начальная площадь поперечного сечения рабочей части образца, м 2 . Истинное сопротивление разрыву S к - это напряжение, определяемое отношением нагрузки Р к в момент разрыва к площади минимального поперечного сечения образца после разрыва F к (S к = Р к / F к).
Предел текучести (физический) σ т - это наименьшее напряжение (в МПа), при котором образец деформируется без заметного увеличения нагрузки: σ т =Р т /F 0 , где Р т - нагрузка, при которой наблюдается площадка текучести, Н.
Площадку текучести имеют в основном только малоуглеродистая сталь и латуни. Другие сплавы площадки текучести не имеют. Для таких материалов определяют предел текучести (условный), при котором остаточное удлинение достигает 0,2% от расчетной длины образца: σ 0,2 =Р 0,2 /F 0 .
Упругость - способность материала восстанавливать первоначальную форму и размеры после прекращения действия нагрузки Р уп оценивают пределом пропорциональности σ пц и пределом упругости σ уп.
Предел пропорциональности σ пц - напряжение (МПа), выше которого нарушается пропорциональность между прилагаемым напряжением и деформацией образца σ пц =Р пц /F 0 .
Предел упругости (условный) σ 0,05 - это условное напряжение в МПа, соответствующее нагрузке, при которой остаточная деформация впервые достигает 0,05% от расчетной длины образца l0: σ 0,05 =P 0,05 /F 0 , где P 0,05 - нагрузка предела упругости, Н.
Пластичность , т. е. способность материала принимать новую форму и размеры под действием внешних сил, не разрушаясь, характеризуется относительным удлинением и относительным сужением.
Относительное удлинение (после разрыва) δ - это отношение приращения (l к -l 0) расчетной длины образца после разрыва к его первоначальной расчетной длине l 0 , выраженное в процентах: δ=[(l к -l 0)/l 0 ]100%.
Относительное сужение (после разрыва) φ - это отношение разности начальной и минимальной площадей (F 0 -F к) поперечного сечения образца после разрыва к начальной площади F 0 поперечного сечения, выраженное в процентах: φ=[(F 0 -F к)/F 0 ]100%.
Чем больше значения относительного удлинения и сужения для материала, тем он более пластичен. 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 W (в МДж) к площади его поперечного сечения F (в м 2) в месте надреза КС=W/F.
Для испытания (ГОСТ 9454-78) 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.
Определение ударной вязкости особенно важно для некоторых металлов, работающих при минусовых температурах и проявляющих склонность к хладноломкости. Чем ниже порог хладноломкости, т. е. температура, при которой вязкое разрушение материала переходит в хрупкое, и больше запас вязкости материала, тем больше ударная вязкость материала. Хладноломкость - снижение ударной вязкости при низких температурах.
Циклическая вязкость - это способность материалов поглощать энергию при повторнопеременных нагрузках. Материалы с высокой циклической вязкостью быстро гасят вибрации, которые часто являются причиной преждевременного разрушения. Например, чугун, имеющий высокую циклическую вязкость, в некоторых случаях (для станин и других корпусных деталей) является более ценным материалом, чем углеродистая сталь.
Твердостью называют способность материала сопротивляться проникновению в него другого, более твердого тела. Высокой твердостью должны обладать металлорежущие инструменты: резцы, сверла, фрезы, а также поверхностноупрочненные детали. Твердость металла определяют способами Бринелля, Роквелла и Виккерса (рис. 10).
Способ Бринелля (ГОСТ 9012-59) основан на том, что в плоскую поверхность металла вдавливают под постоянной нагрузкой стальной закаленный шарик. Диаметр шарика и величину нагрузки устанавливают в зависимости от твердости и толщины испытываемого металла. Твердость по Бринеллю определяют на твердомере ТШ (твердомер шариковый). Испытание проводят следующим образом. На поверхности образца, твердость которого нужно измерить, напильником или абразивным кругом зачищают площадку размером 3-5 см 2 . Образец ставят на столик прибора и поднимают до соприкосновения со стальным шариком, который укреплен в шпинделе прибора. Груз опускается и вдавливает шарик в испытываемый образец. На поверхности металла образуется отпечаток. Чем больше отпечаток, тем металл мягче.
За меру твердости НВ принимают отношение нагрузки к площади поверхности отпечатка диаметром d и глубиной t, который образуется при вдавливании силой Р шарика диаметра D (см. рис. 10, а).

Рис. 10. Определение твердости металла методами Бринелля (а), Роквелла (б) и Виккерса (в)

Числовое значение твердости определяют так: измеряют диаметр отпечатка с помощью оптической лупы (с делениями) и по полученному значению находят в таблице, приложенной к ГОСТу, соответствующее число твердости.
Преимущество способа Бринелля заключается в простоте испытания и точности получаемых результатов. Способом Бринелля не рекомендуется измерять твердость материалов с НВ>450, например закаленной стали, так как при измерении шарик деформируется и показания искажаются.
Для испытания твердых материалов применяют способ Роквелла (ГОСТ 9013-59). В образец вдавливают алмазный конус с углом при вершине 120° или стальной закаленный шарик диаметром 1,59 мм. Твердость по Роквеллу измеряется в условных единицах. Условная величина единицы твердости соответствует осевому перемещению наконечника на 0,002 мм. Испытание проводят на приборе ТК. Значение твердости определяется по глубине отпечатка h и отсчитывают по циферблату индикатора, установленному на приборе. Во всех случаях предварительная нагрузка Р 0 равна 100 Н.
При испытании металлов с высокой твердостью применяют алмазный конус и общую нагрузку P=P 0 +P 1 =1500 Н. Твердость отсчитывают по шкале «С» и обозначают HRC.
Если при испытании берется стальной шарик и общая нагрузка 1000 Н, то твердость отсчитывается по шкале «В» и обозначается HRB.
При испытании очень твердых или тонких изделий используют алмазный конус и общую нагрузку 600 Н. Твердость отсчитывается по шкале «А» и обозначается HRA. Пример обозначения твердости по Роквеллу: HRC 50 - твердость 50 по шкале «С».
При определении твердости способом Виккерса (ГОСТ 2999-75) в качестве вдавливаемого в материал наконечника используют четырехгранную алмазную пирамиду с углом при вершине 136°. При испытаниях применяют нагрузки от 50 до 1000 Н (меньшие значения нагрузки для определения твердости тонких изделий и твердых, упрочненных поверхностных слоев металла). Числовое значение твердости определяют так: замеряют длины обеих диагоналей отпечатка после снятия нагрузки и с помощью микроскопа и по полученному среднему арифметическому значению длины диагонали находят в таблице соответствующее число твердости. Пример обозначения твердости по Виккерсу – HV 500.
Для оценки твердости металлов в малых объемах, например, на зернах металла или его структурных составляющих применяют способ определения микротвердости . Наконечник (индентор) прибора представляет собой алмазную четырехгранную пирамиду (с углом при вершине 136°, таким же, как и у пирамиды при испытании по Виккерсу). Нагрузка на индентор невелика и составляет 0,05-5 Н, а размер отпечатка 5-30 мкм. Испытание проводят на оптическом микроскопе ПМТ-3, снабженном механизмом нагружения. Микротвердость оценивают по величине диагонали отпечатка.
Усталостью называют процесс постепенного накопления повреждений материала под действием повторно-переменных напряжений, приводящий к образованию трещин и разрушению. Усталость металла обусловлена концентрацией напряжений в отдельных его объемах, в которых имеются неметаллические включения, газовые пузыри, различные местные дефекты и т. д. Характерным является усталостный излом, образующийся после разрушения образца в результате многократного нагружения (рис. 11) и состоящий из двух разных по внешнему виду частей. Одна часть излома 1 с ровной (затертой) поверхностью образуется вследствие трения поверхностей в области трещин, возникших от действия повторно-переменных нагрузок, другая часть 2 с зернистым изломом возникает в момент разрушения образца. Испытания на усталость проводят на специальных машинах. Наиболее распространены машины для повторно-переменного изгибания вращающегося образца, закрепленного одним или обоими концами, а также машины для испытаний на растяжение – сжатие и на повторно-переменное кручение. В результате испытаний определяют предел выносливости, характеризующий сопротивление усталости.

Под действием сил металл способен изменять свою форму и раз­меры, т. е. деформироваться.

Рис. 2. Виды деформаций стержня: а - растяжение;

б - сжатие; в - изгиб; г - кручение; д - срез

Деформации могут быть упругими и пластическими (остаточными). Упру­гие деформации исчезают после сня­тия нагрузки, а пластические остают­ся.

Величины деформаций зависят от значения действующих сил, а виды - от направления приложения сил. Наи­более часто встречаются следующие

основные виды деформаций: растяжение, сжатие, изгиб, кручение и срез. На практике металл подвер­гается одному или нескольким видам деформаций в зависимости от прила­гаемых сил.

При выборе металла для изготовле­ния конструкций, деталей, инструментов исходят из его механических свойств. Механическими свойствами называется совокупность качеств, характеризующих способность металлов противостоять деформации при приложении сил. К механическим свойствам относятся прочность, упругость, плас­тичность, твердость, вязкость, усталостная прочность (выносли­вость) и др. Чтобы определить механические свойства металла, его испытывают в лабораториях на специальных машинах.

Испытание металлов на растяжение. Испытание металлов на растяжение позволяет определить наиболее важ­ные механические свойства металлов: прочность, упругость и плас­тичность (рис.3).

Рис. 3. Диаграмма растяжения металлов:

а - пластичных; б - хрупких

Прочность - способность металлов сопротивляться разрушению под действием внешних нагрузок. Упругость - способность метал­лов восстанавливать первоначальную форму и размеры после пре­кращения действия нагрузок, вызвавших их изменение. Пластич­ность - способность металлов необратимо изменять свою форму и размеры, не разрушаясь под действием нагрузок. Противоположным свойством пластичности является хрупкость.

Известно, что груз приложенный к металлическому стержню, вызывает в нем растягивающие напряжения, которые определяют как отношение нагрузки к площади поперечного сечения стержня

σ = P/F,

где σ - напряжение, Па;

F- площадь попереч­ного сечения, м 2 .

Сравнение прочности и упругости металлов проводят по величи­не предельных напряжений.

Прочность обычно определяется пределом прочности, который равен отношению максимальной (наибольшей) нагрузки, вызвав­шей разрушение стержня, к площади его первоначального попереч­ного сечения:

σ В = Рmах / F о

F о - площадь первоначаль­ного поперечного сечения стержня, м 2 .

Предел прочности, называемый также временным сопротивлени­ем, - важнейшая характеристика. Если напряжения в изделии, кон­струкции или инструменте превзойдут предел прочности, то они раз­рушаются.

Упругость оценивается пределом упругости, который равен от­ношению наибольшей нагрузки, не вызывающей остаточных дефор­маций стержня, к площади его первоначального поперечного се­чения

σ уп = Руп/Fо,

где Руп - наибольшая нагрузка, не вызывающая остаточных де­формаций, Н.

Если напряжения в деталях превзойдут предел упругости, то они изменят свою форму и размеры, что может иметь катастрофические последствия.

Пластичность металлов характеризуется относительным удлине­нием и относительным поперечным сужением.

Относительным удлинением называется отношение приращения длины стержня после разрыва к его первоначальной длине:

ι - ι 0

δ = ──────100

где ι 0 - первоначальная длина образца, мм;

ι- длина образца после разрыва, мм;

ι - ι 0 =۵ ι - абсолютное удлинение, мм.

Относительным сужением называется отношение уменьшения площади поперечного сечения стержня после разрыва к первона­чальной площади его поперечного сечения:

Ψ = ────── 100

где Fо - первоначальная площадь поперечного сечения стержня;

F- площадь поперечного сечения стержня после разрыва, мм 2 ;

Fо-F = ۵F - абсолютное сужение, мм 2 .

Чем больше значение относительного удлинения и сужения, тем пластичнее металл. У хрупких металлов эти величины незначитель­ны или равны нулю. Хрупкость металла является отрицательным свойством, а пластичность положительным.

Испытание металлов на растяжение проводят на разрывных ма­шинах, которые обеспечивают приложение к образцам статических, т.е. постоянных или плавно возрастающих нагрузок.

Хрупкие металлы (чугун, закаленная сталь и др.), работающие на изгиб, испытывают не только на растяжение, но и на изгиб. При этом определяют предел прочности на изгиб (σ ИЗГ) по соответствующим формулам. Испытания проводят на разрывных машинах, имеющих для этого специальные приспособления в виде двух опор, на которые укладывают образец. Посредине образ­ца создают равномерно повышающуюся нагрузку до его разру­шения.

Предел прочности на изгиб - важнейшая характеристика ме­таллов конструкций, работающих на изгиб. Испытанию на изгиб подвергают большинство судостроительных металлов.

Испытание металлов на твердость. Твердостью называется спо­собность металла оказывать сопротивление проникновению в него другого более твердого материала.

В настоящее время применяют разнообразные методы испытания металлов на твердость. Наиболее распространены методы, при ко­торых в металл под действием статической нагрузки вдавливают специальный наконечник-индентор (шарик, конус или пирамиду). Эти методы называют по фамилии их авторов: Бринелля, Роквелла и Виккерса. Твердость определяют также ударным вдавливанием шарика (метод Польди) и методом упругой отдачи бойка (метод Шора).

Приближенно твердость можно оценить и по углублениям, ос­тавляемым чертилкой, кернером, зубилом и другими режущими ин­струментами. О твердости судят по глубине отпечатка, оставленно­го на металле наконечником или режущими инструментами. Чем больше глубина отпечатка при одинаковой нагрузке на внедряе­мый материал одинакового размера, тем меньше твердость и нао­борот.

Испытывая металл на твердость, можно просто и быстро опре­делить его механические свойства, причем не только в лаборатори­ях, но и на производстве. По величине твердости можно приближенно судить и о других механических свойствах металлов: прочности, износостойкости и т.п., а также обрабатываемости. Чем металл тверже, тем его труднее обрабатывать.

В зависимости от твердости выбирают металлы для изготовления тех или иных деталей, конструкций, инструментов. Рассмотрим наиболее распространенные методы испытания металлов на твердость.

Метод Бринелля заключается во вдавливании под действием статической нагрузки в поверхность испытуемого образца стального шарика диаметром 2,5; 5 или 10 мм.

Твердость по методу Бринелля выражается в числах твердости НВ (Н - твердость, В - Бринелля).

Испытание на твердость по методу Бринелля проводится на при­борах с применением плоских или круглых образцов и деталей. Для получения точных результатов на поверхности образцов не должно быть ржавчины, окалины, вмя­тин и т. п.

Метод Роквелла заключается во вдавливании под действием статической нагрузки в поверхность испытуемого ме­талла алмазного конуса или стального закаленного шарика диамет­ром 1,59 мм.

В приборах (твердомерах) Роквелла в отличие от при­боров Бринелля число твердости определяют непосредственно по шкале индикатора.

Числа твердости по Роквеллу не имеют размерности и обозначаются символом HR (Н - твердость, R - Роквелл). К символу до­бавляется обозначение шкалы индикатора (А, В или С), по которой измерялась твердость, и соответствующее числовое значение твер­дости.

По методу Роквелла можно испытывать мягкие и твердые ме­таллы, а также готовые изделия, так как отпечатки от наконечника незначительны. Испытание занимает мало времени (не более 50 с), не требует никаких измерений; показания читаются непосредствен­но по шкале индикатора.

Метод Виккерса заключается во вдавливании под действием статической нагрузки в поверхность испытуемого металла четырех­гранной алмазной пирамиды.

Метод Польди заключается во вдавливании стального шарика под действием динамической (ударной) нагрузки в поверхность испытуемого металла и эталонного образца.

По соотношению площадей или диаметров отпечатков расчетным путем по таблицам определяют твердость металла. Она будет тем меньше, чем больше отпечаток на испытуемом металле по сравнению с отпечатком на эталонном образце, и наоборот.

Испытание металлов на ударную вязкость. Ударной вязкостью (динамической прочностью) называется способность металлов оказывать сопротивление действию ударных (динамических) нагрузок.

Многие детали машин, конструкции и инструменты испытывают при эксплуатации ударные нагрузки. Например, судовые конструкции подвергаются ударам волн, льда и т. п. Поэтому при их изго­товлении необходимо учитывать эту важнейшую характеристику.

Металлы, легко разрушающиеся под действием ударной нагруз­ки, называются хрупкими. Они непригодны для изготовления дета­лей, работающих в условиях ударных нагрузок. Вязкими называ­ются металлы, разрушающиеся при значительных ударных нагруз­ках и значительных пластических деформациях.

Испытание металлов на ударную вязкость проводят на механиз­мах, называемых маятниковыми копрами. Оно заключа­ется в ударном изломе (изгибе) маятником копра образца и в под­счете израсходованной работы на разрушение образца.

Маятник поднимают на некоторую высоту Н. С этой высоты он свободно падает разрушает образец и снова поднимается на неко­торую высоту h. Работа, затраченная на разрушение образца,

А = P(H - h) или А =Pι (cosβ - cosα),

где Р - сила тяжести (вес) маятника, Н;

Н - высота подъема маятника до удара, м;

h - высота подъема маятника после удара, м;

l- длина маятника, м.

Ударную вязкость металла определяют по величине удельной ударной вязкости а H , равной отношению работы, затраченной на разрушение образца, к площади его поперечного сечения в месте разрушения:

а H = А /F

где А - работа, затраченная на разрушение образца, Дж;

F - пло­щадь поперечного сечения образца в месте разрушения, м 2 .

Современный маятниковый копер имеет шкалу, градуированную непосредственно в единицах работы. Если поднять маятник на не­которую высоту Н, то стрелка покажет запас энергии маятника до удара РН в джоулях. После разрушения образца маятник поднимается на некоторую высоту h, в это время стрелка покажет запас энергии-маятника Ph после удара. Таким образом, ударная вязкость

а H = (РН - Ph)/F.

Ударная вязкость зависит не только от рода металла, но и от его температуры, химического состава, структуры и т. д. Например, две марки стали, с разной структурой могут иметь совершенно, различ­ные значения ударной вязкости, но почти одинаковые другие меха­нические свойства.

Испытание металлов на усталостную прочность (выносли­вость). Многие детали машин и механизмов, некоторые конструк­ции и инструменты при эксплуатации подвергаются действию пере­менных нагрузок, т. е. меняющихся по значению, направлению или по значению и направлению одновременно. Таким нагрузкам под­вергаются, например, корпуса судов детали машин (валы, оси, ша­туны, коленчатые валы).

В результате длительного воздействия переменных нагрузок прочность металла уменьшается и деталь, конструкция или инстру­мент разрушается. Разрушение металла часто наступает при напря­жениях, которые значительно меньше, чем предел прочности, а иногда даже меньше, чем предел текучести.

Способность металлов сопротивляться усталостному разруше­нию называется усталостной прочностью (выносливостью). Пока­зателем ее является предел усталости (выносливости), который определяют в ходе испытания на специальных машинах. Испытания проводят на переменный изгиб, растяжение-сжатие и кручение.

Чаще всего применяют способ испытания изгибом при вращении (рис. 4). В этом случае один конец образца закрепляют в патроне, а к другому через шарикоподшипник подвешивают груз. При вра­щении наружные волокна образца попеременно будут испытывать растягивающие и сжимающие усилия. При достижении некоторого числа перемен (циклов) образец разрушается. Число циклов опре­деляют по установленному на станке счетчику.

Рис. 4. Схема испытания образца на усталост­ную прочность: 1 - патрон станка; 2 - образец;

Подшипник качения

Пределом усталости металлов называется максимальное напря­жение, при котором образец еще выдерживает неограниченное чис­ло циклов, не разрушаясь. Пределы усталости обозначают:

при из­гибе - σ -1 ;

при растяжении-сжатии - σ- 1 p ;

при кручении - τ -1 .

Между пределом усталости и пределом прочности существует следующая приблизительная зависимость:

σ -1 == 0,47σ в; σ -1 p = 0,32σ в; τ -1 = 0,22σ в.

Усталостная прочность зависит от значения переменных напря­жений, состояния поверхностей деталей и других факторов. Ее сле­дует учитывать при создании, например, быстроходных судов, сверх­звуковых самолетов, космических кораблей, мощных турбин, испы­тывающих при эксплуатации переменные нагрузки.

Металлы, работающие в сложных условиях, испытывают при повышенных и пониженных температурах, в условиях коррозии, при истирании и т. д.

Технологические свойства характеризуют способность металлов поддаваться технологической обработке, целью которой является придание металлам определенных форм, размеров и свойств. К ним относятся: литейные свойства, ковкость, свариваемость, прокаливаемость, обрабатываемость резанием и др. Поведение металла при технологической обработке определяют по технологическим пробам.

Технологические пробы применяют главным образом для опре­деления пригодности материала к тому или иному способу обра­ботки. О результатах технологических испытаний судят по состоя­нию поверхности после испытания (отсутствие трещин, надрывов, изломов). Наиболее распространены следующие технологические пробы: на изгиб в холодном и нагретом состоянии; на перегиб и выдавливание; на осадку; на раздачу и обжатие труб; искро­вая.

К физическим свойствам металлов и сплавов относятся: плот­ность, температура плавления, теплопроводность, электро-провод­ность, тепловое расширение, удельная теплоемкость и способность намагничиваться (табл. 1).

Химические свойства - способность металлов и сплавов сопро­тивляться воздействию окружающей среды, которое проявляется в различных формах. Под влиянием кислорода воздуха и влаги ме­таллы подвергаются коррозии: чугун и сталь ржавеют; бронза покрывается зеленым слоем оксида меди; сталь при нагреве в печах без защитной атмосферы окисляется, превращаясь в окалину, а в серной кислоте растворяется.

Металлы и сплавы, стойкие против окисления при высокой тем­пературе нагрева, называются жаростойкими или окалиностойкими. Из них изготовляют такие детали, как клапаны двигателей внутрен­него сгорания и др. Золото, серебро и нержавеющие стали слабо поддаются коррозии.