Основные механические свойства металлов: прочность, пластичность и методы статических испытаний

Механические свойства материалов определяют их поведение под действием внешних нагрузок, включая способность сопротивляться деформации и разрушению. К числу ключевых характеристик относятся прочность, упругость, вязкость и твердость. Знание этих параметров позволяет конструктору обоснованно выбирать материал для обеспечения надежности и долговечности конструкций при минимальной массе. В зависимости от условий эксплуатации механические свойства определяют при различных видах нагружения: статическом (нагрузка возрастает плавно), динамическом (ударное воздействие с высокой скоростью) и циклическом (многократное изменение нагрузки по величине или направлению). Для обеспечения сопоставимости результатов форма и размеры образцов, а также методика испытаний строго регламентированы государственными стандартами (ГОСТ).

Статические испытания на растяжение. Наиболее распространенным методом оценки механических свойств является статическое испытание на растяжение по ГОСТ 1497, позволяющее одновременно определять характеристики прочности и пластичности. Испытания проводятся на специальных разрывных машинах, которые автоматически регистрируют первичную диаграмму растяжения в координатах «нагрузка P – абсолютное удлинение Δl». Однако для получения стандартизированных механических характеристик первичную диаграмму перестраивают в относительных координатах «напряжение σ – относительное удлинение δ», что нивелирует влияние геометрических размеров образца (рис. 6.7).

Рис. 6.7. Диаграмма растяжения: а – абсолютная, б – относительная; в – схема определения условного предела текучести

При анализе диаграммы растяжения выделяют несколько характерных зон деформирования. На начальном участке оа деформация является упругой и подчиняется закону Гука. Напряжение, соответствующее точке а, называется пределом пропорциональности (σпц) – это максимальное напряжение, до которого сохраняется линейная зависимость между деформацией и напряжением. Выше предела пропорциональности начинается область равномерной пластической деформации, при которой удлинение образца происходит по всей его длине с одновременным уменьшением поперечного сечения.

Характеристики прочности материалов. Для оценки сопротивления материала небольшим пластическим деформациям используют предел упругости и предел текучести. Предел упругости (σ0,005…σ0,05) соответствует напряжению, при котором остаточная деформация достигает весьма малой величины (0,005–0,05 %), что практически невозможно определить точно, поэтому устанавливают условный предел упругости. Предел текучести характеризует переход материала к заметной пластической деформации: физический предел текучести (σт) фиксируют при наличии на диаграмме горизонтальной площадки, когда деформация растет без увеличения нагрузки. Однако большинство конструкционных материалов не имеют ярко выраженной площадки текучести, поэтому для них определяют условный предел текучести (σ0,2) – напряжение, вызывающее остаточную деформацию 0,2 %. Эти характеристики являются основными расчетными параметрами: действующие в детали напряжения должны быть ниже предела текучести, чтобы исключить недопустимое изменение формы.

Дальнейшее нагружение приводит к развитию равномерной пластической деформации вплоть до достижения максимальной нагрузки. Предел прочности (σв), или временное сопротивление разрыву, соответствует напряжению, рассчитанному по максимальной нагрузке, которую выдерживает образец до разрушения. Для пластичных материалов в точке максимума начинается образование шейки – локального сужения образца, после чего нагрузка падает, и разрушение происходит в точке С. Следует различать условный предел прочности и истинное сопротивление разрушению (Sк) – максимальное напряжение, отнесенное к фактической площади поперечного сечения в момент, предшествующий разрушению (рис. 6.8). Истинное сопротивление разрушению всегда выше условного предела прочности, поскольку оно учитывает реальное уменьшение сечения образца в процессе деформации.

Рис. 6.8. Истинная диаграмма растяжения

Характеристики пластичности. Пластичность представляет собой способность материала получать остаточное изменение формы и размеров без нарушения сплошности, что имеет первостепенное значение при обработке металлов давлением (ковке, штамповке, прокатке). Количественными характеристиками пластичности служат относительное удлинение (δ) и относительное сужение (ψ). Относительное удлинение рассчитывается как отношение прироста длины образца после разрыва к его начальной длине, выраженное в процентах. Относительное сужение определяется отношением уменьшения площади поперечного сечения в шейке к начальной площади сечения. Последняя характеристика более точно отражает предельную деформационную способность материала и широко используется при оценке технологичности листовых материалов для глубокой вытяжки. Пластичные материалы считаются более надежными в эксплуатации, поскольку их способность к пластической деформации снижает риск внезапного хрупкого разрушения и позволяет перераспределять локальные перенапряжения.

Сведения об авторах и источниках:

Авторы: Третьякова Н.В.

Источник: Лекции по материаловедению

Данные публикации будут полезны студентам, изучающим материаловедение и металлургию, инженерно-техническим работникам и специалистам, занятым в области машиностроения, а также всем, кто интересуется историей науки о металлах и современными тенденциями разработки новых материалов.