Условия работы и методы испытания материалов

В широком смысле под механическими свойствами понимают параметры, которые дают информацию о поведении материала под действием внешних нагрузок. Количественные величины этих параметров обусловлены природой взаимодействия молекул и атомов в твердом теле, фазовым составом сплавов, их структурой. Изменения термодинамических параметров (температуры, давления, скорости нагружения) приводят к изменению сил взаимодействия, фазового состава и структуры, а, следовательно, к изменению свойств материалов.

Механические свойства позволяют определить пределы нагрузки для каждого конкретного материала, произвести сопоставимую оценку различных материалов, осуществить контроль качества и пригодность металла в заводских и лабораторных условиях. Результаты определения механических свойств используют в расчетной конструкторской практике при проектировании машин, приборов, конструкций.

К испытаниям механических свойств предъявляется ряд требований. Температурно-силовые условия проведения испытаний должны быть по возможности приближены к служебным условиям работы материалов в реальных изделиях. Вместе с тем методы испытаний должны быть достаточно простыми и пригодными для массового контроля качества.

Большое разнообразие условий эксплуатации материалов, повышение и расширение спектра требований к ним привело к разработке широкого круга методов определения свойств. В зависимости от скорости нагружения испытания являются статическими, когда нагружение производится медленно, нагрузка возрастает плавно или остается постоянной длительное время, либо динамическими, если нагрузка возрастает мгновенно (ударно). При повторно-переменных испытаниях изменяется величина и направление нагрузки. Испытания могут проводиться при комнатных, повышенных, отрицательных (криогенных) температурах. Различны и схемы нагружения образцов: растяжение, сжатие, изгиб, кручение, срез.

Каждая схема нагружения характеризуется коэффициентом «жесткости», представляющим собой отношение максимальных нормальных напряжений к максимальным касательным, которые возникают при испытаниях:

, (2.1)

где S_max – максимальные нормальные напряжения,

τ_max – максимальные касательные напряжения.

Таблица 2.1. Значения коэффициента «жесткости» для различных видов

испытаний

Нормальные напряжения приводят к хрупкому разрушению материала, а касательные ответственны за пластичность. Поэтому, чем больше коэффициент «α» тем более хрупко разрушается материал при испытаниях.

При выборе способа испытания материалов учитывается коэффициент «жесткости». Мягкие и пластичные материалы (большинство цветных металлов и сплавов, малоуглеродистые стали для общего машиностроения, применяемые в сыром, незакаленном состоянии) испытываются на статическое растяжение и, по необходимости, динамический изгиб (ударную вязкость).

Стали среднеуглеродистые, применяемые в термически обработанном (закалка + отпуск на среднюю твердость) состоянии, часто работают на знакопеременные нагрузки. Поэтому, кроме прочностных испытаний на растяжение и динамических – на ударную вязкость, эти стали часто испытываются на повторнопеременное нагружение – усталость.

Для высокоуглеродистых инструментальных сталей, закаливаемых на высокую твердость, испытания на статическое растяжение являются «жесткими». Результаты испытаний имеют большой разброс, что создает определенные методические затруднения. Поэтому эти стали подвергают более «мягкому» способу нагружения: на статический изгиб и статическое сжатие. Проводятся и динамические испытания – на ударную вязкость.

Определение твердости является самым «мягким» видом испытания, пригодным для любых материалов. Методическая простота испытаний на твердость и доступность оборудования сделали этот вид испытаний универсальным. Наряду с вышеперечисленными методами испытаний твердость определяется для всех материалов в любом состоянии: упрочненном и неупрочненном.

А такие сверхтвердые и хрупкие материалы, как твердые сплавы, подвергаются только испытаниям на твердость, все остальные виды испытаний являются для них «жесткими».

Стали и сплавы специального назначения подвергаются соответствующим видам испытаний. Например, жаропрочные стали подвергаются длительным (до 10 и даже 30 тысяч часов) статическим напряжениям при повышенных температурах (до 1100-1200°С). Износостойкие материалы подвергаются истиранию с определением потери веса при истирании. Материалы для атомной энергетики подвергаются радиационному облучению различными элементарными частицами с определением способности поглощать эти частицы и изменять или сохранять необходимые свойства.