Механические свойства материалов (стр. 7 )

В металлах и сплавах с высокодисперсной структурой одновременное воздействие напряжений и повышенных температур вызывает уже упоминавшийся эффект сверхпластичности. Типичный пример – монотектоидный сплав цинка с 22 % Аl, на котором было открыто и явление сверхпластичности цинкалюминиевых сплавов.

При температурах 473…543 К и определенном интервале скоростей растяжения образцы этого сплава проявляют все признаки сверхпластической деформации. Помимо большого удлинения (102…103 %) для такой деформации характерны очень низкие напряжения течения, плавно снижающиеся на большей части кривой растяжения. Такое аномальное разупрочнение обусловлено существенным снижением скорости деформации в процессе испытания с постоянной скоростью деформирования (чем больше длина образца, тем меньшему относительному удлинению соответствует то же абсолютное удлинение и меньше скорость деформации). В результате замедления деформации полнее успевают проходить термически активируемые процессы в приграничных зонах, легче идет межзеренная деформация и напряжение течения снижается.

4 ИСПЫТАНИЯ МЕТАЛЛОВ

4.1 Испытания на растяжение и характерные точки

диаграммы растяжения

В большинстве случаев металлические материалы в конструкциях работают под статическими нагрузками. Поэтому статические испытания широко распространены и проводятся с использованием разных схем напряженного состояния в образце. К основным разновидностям статических испытаний относятся испытания на растяжение, сжатие, изгиб и кручение.

Испытания на одноосное растяжение – наиболее распространенный вид испытаний для оценки механических металлов. Методы испытания на растяжение стандартизированы. Помимо основной рабочей части большинство образцов (рисунок 14) имеет головки различной конфигурации для крепления в захватах.

Механические свойства при растяжении могут быть разделены на две группы – прочностные и пластические. Прочностные свойства – это характеристики сопротивления материала образца деформации или разрушению. Большинство стандартных прочностных характеристик рассчитывают по положению определенных точек на диаграмме растяжения, в виде условных растягивающих напряжений. На практике механические свойства определяют по первичным кривым растяжения в координатах нагрузка – абсолютное удлинение, которые автоматически записываются на диаграммной ленте испытательной машины. Для поликристаллов различных металлов все многообразие этих кривых можно свести к трем типам (рисунок 15).

 

Рисунок 14 – Стандартный образец для испытаний на растяжение

В зависимости от типа диаграммы меняется набор характеристик, которые по ней можно рассчитать, а также их физический смысл. На рисунке 16 (диаграмма третьего типа) нанесены характерные точки, по ординатам которых рассчитывают прочностные характеристики (σi=Рi/F0). Как видно, на диаграммах других двух типов могут быть нанесены не все эти точки.

Усилие Рпц определяет величину предела пропорциональности σпц – напряжения, которое материал образца выдерживает без отклонения от закона Гука (σпц=Рпц/F0).

Усилие Рупр определяет величину условного предела упругости σупр – напряжения, при котором остаточное удлинение достигает заданной величины, обычно 0,05%. Иногда меньше – до 0,005%. Это напряжение, при котором появляются первые признаки микропластической деформации (σупр=Рупр/F0).

 

а) хрупкое разрушение; б) разрушение после равномерной деформации;

в) разрушение после образования шейки

Рисунок 15 – Разновидности первичных диаграмм растяжения

Усилие РТ определяет величину физического предела текучести σТ – напряжения, при котором остаточное удлинение достигает заданной величины, обычно 0,2%. Иногда 0,1%; 0,3% и больше. Это напряжение, при котором образец деформируется под действием практически неизменной растягивающей нагрузки (σТ=РТ/F0). Физический предел часто называют нижним в отличие от верхнего предела текучести, рассчитываемого по нагрузке, соответствующего вершине зуба текучести u на рисунке 16.

Рисунок 16 – Характерные точки на диаграмме растяжения,

по которым рассчитывают прочностные характеристики

Усилие Рв определяет величину предела прочности σв – условного напряжения, характеризующего сопротивление максимальной равномерной деформации (σв=Рв/F0).

4.2 Пластические свойства. Работа пластической деформации

Основными характеристиками пластичности при испытании на растяжение являются относительное удлинение δ и относительное сужение ψ. Для экспериментального определения относительного сужения после разрыва образца достаточно измерить его минимальный диаметр в месте разрыва. Относительное удлинение можно рассчитывать по первичной диаграмме растяжения: определив абсолютное удлинение Δl к моменту разрушения в точке k (рисунок 16) и зная расчетную длину l0, мы получаем величину δ.

Работа на пластическую деформацию образца частично рассеивается в виде тепла, но большая часть остается в виде запасенной, накопленной энергии, связанной с дислокациями. Работа равна:

.

Кроме полной, определяют удельную работу деформации (вязкость), т. е. работу, отнесенную к единице объема расчетной части образца:

.

Отсюда следует, что величина а определяется как площадь под кривой истинных напряжений.

.

4.3 Твердость. Способы определения твердости

Существующие методы измерения твердости значительно отличаются друг от друга по форме применяемого индентора, условиями приложения нагрузки и способу расчета чисел твердости. Выбор метода определения твердости зависит от различных факторов: твердость материала образца (детали), его размеров, толщины слоя, твердость которого надо измерить и т. д. [4].

Способы определения твердости делят на статические и динамические – в зависимости от скорости приложения нагрузки, а по способу ее приложения – на методы вдавливания и царапания.

Во всех методах испытания на твердость важно правильно подготовить поверхностный слой образца. Все поверхностные дефекты (окалина, выбоины, вмятины и т. д.) должны быть удалены. Чем меньше глубина вдавливания индентора, тем выше должна быть чистота поверхности и тем более строго надо следить, чтобы свойства поверхностного слоя не изменились вследствие наклепа или разогрева при шлифовании и полировке.

Нагрузка должна прилагаться по оси вдавливаемого индентора перпендикулярно к испытуемой поверхности. Плоскость испытуемой поверхности должна быть строго параллельна опорной поверхности.

В зависимости от времени различают кратковременную и длительную твердость. При определении твердости всеми методами (кроме микротвердости) измеряют суммарное сопротивление металла внедрению в него индентора, усредняющее твердость всех имеющихся структурных составляющих (диаметр или длина диагонали отпечатков меняется от 0,1…0,2 до нескольких миллиметров).

При стандартном измерении твердости по Бринеллю стальной шарик диаметром D вдавливают в испытуемый образец под нагрузкой Р, приложенной в течение определенного времени, и после снятия нагрузки измеряют диаметр d оставшегося на поверхности образца отпечатка.

Диаметр отпечатка получается тем меньше, чем выше сопротивление материала образца деформации. Число твердости по Бринеллю (НВ) есть отношение нагрузки Р, действующей на шаровой индентор диаметром D, к площади F шаровой поверхности отпечатка:

.

Число твердости имеет размерность (кгс/мм2), однако в соответствии со стандартом она не пишется, указываются единицы твердости. Стандартными считаются шарик с D=10 мм, нагрузка Р=3000 кгс и время выдержки τ=10 с.

При стандартном измерении твердости по Виккерсу в поверхность образца вдавливают алмазный индентор в форме четырехгранной пирамиды с углом при вершине α=1360. После удаления нагрузки Р, действовавшей определенное время (10…15 с для черных и 30 с для цветных металлов), измеряют диагональ отпечатка d, оставшегося на поверхности образца. Число твердости HV (записываемое без размерности) определяют делением нагрузки в килограммах на площадь боковой поверхности полученного пирамидального отпечатка

F=d2/(2·sinα/2 [мм2]),

HV=(2·P·sinα/2)/d2=1,8544·P/d2.

В результате испытания измеряют только диагональ d отпечатка. Зная использованную нагрузку Р, можно найти число твердости по специальным таблицам. Образцы для замера твердости HV должны быть отполированы и их поверхность свободна от наклепа. Величина HV, как и HB, является усредненным условным напряжением в зоне контакта индентор-образец и характеризует сопротивление материала значительной пластической деформации. Алмазная пирамида Виккерса позволяет определять твердость практически любых металлических материалов.

При измерении твердости по Роквеллу индентор – алмазный конус с углом при вершине 1200 и радиусом закругления 0,2 мм или стальной шарик диаметром 1,5875мм (1/16 дюйма) – вдавливается в образец под действием двух последовательно прилагаемых нагрузок: предварительной Р0 и общей Р. Число твердости по Роквеллу измеряют в условных единицах, и оно является мерой глубины вдавливания индентора под определенной нагрузкой.

Сначала индентор вдавливается в поверхность образца под предварительной нагрузкой P0=10 кгс, которая не снимается до конца испытания. Это обеспечивает повышенную точность испытания, так как исключает влияние вибраций и тонкого поверхностного слоя. Под нагрузкой Р­0 индентор погружается в образец на глубину h0. Затем на образец подается полная нагрузка и глубина вдавливания увеличивается. Глубина вдавливания h после снятия основной нагрузки Р1, когда на индентор вновь действует только предварительная нагрузка Р0, определяет число твердости по Роквеллу (HR). Чем больше глубина вдавливания, тем меньше число твердости HR. При использовании в качестве индентора алмазного конуса твердость по Роквеллу определяют по двум шкалам – А и С. При измерении по шкале А: Р0=10 кгс, Р1=50 кгс, по шкале С: Р0=10 кгс, Р1=140 кгс.