Механические свойства металлов

Все отрасли промышленности, использующие металлические материалы, базируются на применении основных физических свойств металлов. Это прочность, твердость, пластичность (относительное удлинение и сужение, термическая пластичность), жаропрочность, тепло- и электропроводность, способность намагничиваться, сверхпроводимость, термоэлектронная эмиссия, хорошая отражательная способность и др.

Основными параметрами, характеризующими механические свойства металла, являются первые три из перечисленных и еще некоторые другие.

Прочность - это способность сопротивляться деформации и разрушению от действия напряжений. Она характеризуется величиной влияющих нагрузок, определяемых экспериментально путем разрыва стандартных образцов и вычисляемых по формуле (1.3), где s - предел прочности, МПа (кгc/мм²); Р - приложенная нагрузка, кгc/мм²; F - площадь поперечного сечения образца, мм².

(1.3).

Напряжения, отвечающие постоянным значениям величины и направления действующих сил, называют статическим (рис. 1.58, а), циклические его переменные отвечают неустойчивым значениям величины и направления сил (рис. 1.58, б). По обычным формулам механики материалов вычисляются номинальные нагрузки, не учитывающие концентрации усилий.

Рис. 1.58. Характер изменения нагрузки во времени: а – статистической; б - циклической

Концентраторы напряжений - конструктивные элементы в деталях, вызывающие усиление нагрузок, например, на краях отверстий в пластине. Ими могут быть и внутренние дефекты металла: трещины, раковины, неметаллические включения и другие нарушения сплошности и однородности строения, играющие роль надрезов.

Пластичность - способность металлов воспринимать пластическую (остаточную) деформацию не разрушаясь. Характеристиками пластичности являются:

1) условное относительное удлинение, определяемое по формуле (1.4), где ∆l - абсолютное остающееся приращение длины образца, l - исходная длина образца;

(1.4).

2) относительное сужение (сжатие) поперечного сечения после растяжения, вычисляемое по выражению (1.5), где F₀ - исходная площадь поперечного сечения образца, F_к - площадь поперечного сечения в месте разрыва образца.

(1.5).

Высокая прочность в сочетании с пластичностью – главное достоинство металлов среди других конструкционных материалов. За счет роста удельной прочности непрерывно сокращается металлоемкость конструкций в весовом отношении.

Хрупкость - состояние металла, выражающееся в отсутствии способности пластически деформироваться при разрушении. Пластичные металлы могут быть переведены из пластического в хрупкое состояние под действием низкой или высокой температуры, больших скоростей нагружения, наличия концентраторов и т. д. Применение хрупких металлов опасно из-за того, что они внезапно могут рассыпаться. Тепловая хрупкость - возникает вследствие чисто термических влияний при длительном нагревании в интервале температур хрупкости.

Жесткость металла - сопротивление упругой деформации при растяжении и является основной характеристикой упругих свойств. Она определяется модулем упругости Е, который вычисляется по формуле Е = s/d, где s - напряжение упругой деформации; d - относительное удлинение.

Модули нормальной упругости сравнительно мало зависят от структуры, термической обработки и химического состава сплава. Основным фактором, определяющим его значение, является тип атомно-кристаллической решетки. С увеличением плотности решетки и уменьшением межъядерного расстояния величина Е повышается. Значения модуля упругости конструкционных материалов сильно меняются с температурой. С возрастанием температуры Е металлических материалов снижаются сначала медленно, затем - быстрее.

Предел упругости s_е - наибольшее напряжение, которое может выдержать металл, оставаясь в пределах чисто упругих деформаций. Условный предел упругости s_i (s_0,001; s_0,003; s_0,01; s_0,03 и s_0,05) - напряжение, при котором пластическая деформация впервые достигает некоторой малой величины, устанавливаемой техническими условиями (d = 0,001 - 0,05 %).

Физический предел текучести - наименьшее напряжение, при котором остаточная деформация достигает какой-то условной величины (0,1 - 0,5 %).

Диаграмма растяжения металлов приведена на рис.1.59, где Р - нагрузки, Р_р, отвечающая пределу пропорциональности; Р_е, соответствующая границе упругости; Р_s, отражающая предел текучести- Р_к - в момент разрыва; Dl - остающееся удлинение для всей расчетной длины; Dl_д - остающееся равномерное растяжение (до момента образования «шейки»); Dl_z - местное удлинение, получившиеся в результате сосредоточения деформаций на «шейке» после достижения наибольшей нагрузки Р_в.

Рис. 1.59 - Диаграммы истинных напряжений при испытании на растяжение (1 – разрыв образца): а – хрупкий, б – пластичный металл; I и II – соответственно области упругой и пластической деформаций

Твердость - является интегральным свойством, определяемым многими механическими характеристиками тела (пластичностью, пределом упругости, прочностью) и выражается сопротивлением материала внедрению твердого инородного тела. Ее чаще всего описывают числами твердости по Бринелю НВ, Виккерсу HV и Роквеллу HR (формулы 1.6 и 1.7), где НВ - напряжение вдавливания закаленного шарика, МПа (кгс/мм²), вычисленное на 1мм² сферической поверхности его отпечатка (рис.1.60, а); D - диаметр шарика, мм; Р - нагрузка на шарик, кгс; h - глубина отпечатка, мм; d - диаметр отпечатка, мм; HV - усилие давления четырехгранной алмазной пирамиды, МПа (кгс/мм²), вычисленное на квадратную единицу поверхности пирамидального отпечатка, d = (d₁ + d₂)/2 - среднее арифметическое обеих диагоналей отпечатка пирамиды после снятия нагрузки Р, мм; (рис. 1.60, б), HR - величина, обратная глубине вдавливания алмазного конуса (1/h), получающейся в результате изменения нагрузки от 10 кгс до назначенной величины и измеряемой по положению наконечника при 10 кгс. Значения HR выражаются в отвлеченных единицах (рис. 1.60, в). Числа твердости взаимопереводимы.

НВ = Р/pDh (1.7).

HV = 1,8544Р/d² (1.8).

Рис. 1.60 - Схема испытания образцов на твердость по: а – Бринеллю; б – Роквеллу; в – Виккерсу

Вязкость - свойство металла поглощать механическую энергию в больших количествах, не разрушаясь. Вязкость следует отличать от пластичности, т. е. способности металлов получать большие пластические деформации при нагружении. Только у абсолютно хрупких материалов пластичность и вязкость имеют одинаковые значения и равны нулю.

Ударная вязкость а_к(а_н) – способность металла поглощать механическую энергию при ударе, она представляет собой отношение абсолютной вязкости А_к или полной работы, расходуемой при ударном изломе образца с надрезом, к рабочей площади поперечного сечения в месте надреза. Данный параметр является показателем стойкости материала против хрупкого разрушения. Испытания проводят с использованием механических копров (рис. 1.61) чаще всего на одном из различных видов образцов (первые два – стандартные) при одинаковом сечении (10 х 10 мм), которые имеют надрез глубиной в 2 мм, но разной остроты: R = 1 мм (рис. 1.62, а), R = 0,25 мм (рис. 1.62, б) и R = 0 мм (рис. 1.62, в). В последнем случае надрез размером в 1 мм осуществляется механически и далее создается усталостная трещина глубиной в 1 мм.

Рис. 1.61 - Модель испытаний на ударную вязкость	Рис. 1.62 - Виды образцов для испытаний на ударную вязкость