Механические свойства металлов и сплавов

метки: Механический, Металл, Свойство, Определение, Растяжение, Сечение, Напряжение, Деформация

Чаще механические свойства металла характеризуют следующими величинами: 1) прочностью, под которой понимают сопротивление металла (сплава) деформации и разрушению; 2) пластичностью, т. е. способностью металла к остаточной деформации (остающейся после удаления деформирующихся сил) без разрушения.

Малую пластичность или ее отсутствие называют хрупкостью. В результате механических испытаний получают численные значения механических свойств, т. е. значения напряжений или деформаций, при которых происходят изменения физического состояния материала.

Механические свойства дают возможность конструкторам и технологам установить, в каких пределах нагрузок и в каких условиях можно использовать материал.

Широко используют механические испытания и для контроля качества изготовления и обработки металла на металлургических и машиностроительных заводах.

Механические свойства характеризуют поведение тел под действием механических напряжений. Такие напряжения возникают при эксплуатации металлических изделий, а так же в процессе их изготовления. Поэтому механические свойства – это важнейшие для инженера характеристики металлов и сплавов.

Механические свойства определяют с помощью механических испытаний специально изготовленных образцов. Механические свойства зависят не только от химического состава и структуры материала, но и от условий испытаний: формы и размеров образца, скорости нагружения и других факторов. Большинство механических свойств очень сильно зависит от структуры, например от размера зерна и плотности дислокаций, т. е. относятся к разряду структурно – чувствительных свойств.

1 Упругая и пластическая деформация, разрушение

Если напряжение, приложенное к металлическому образцу, не слишком велико, то его деформация оказывается упругой – стоит снять напряжение, как его форма восстанавливается. Некоторые металлические конструкции намеренно проектируют так, чтобы они упруго деформировались. Так, от пружин обычно требуется довольно большая упругая деформация. В других случаях упругую деформацию сводят к минимуму. Мосты, балки, механизмы, приборы делают по возможности более жесткими. Упругая деформация металлического образца пропорциональна силе или сумме сил, действующих на него. Это выражается законом Гука, согласно которому напряжение равно упругой деформации, умноженной на постоянный коэффициент пропорциональности, называемый модулем упругости: s = e Y , где s – напряжение, e – упругая деформация, а Y – модуль упругости (модуль Юнга).

Деформации и напряжения при сварке

... снятие сварочных напряжений, следует проводить только в случае действительной необходимости. Деформации Упругая При пластической На рис. 6 показаны продольная и поперечная Деформации при сварке: а ... класса: Термический класс:, Термомеханический класс:, Механический класс: Технологическая часть Деформации и напряжения при сварке Во время Напряжение, Деформация При Внутренние В результате местного ( ...

Модули упругости ряда металлов представлены в табл. 1.

Таблица 1

Пользуясь данными этой таблицы, можно вычислить, например, силу, необходимую для того, чтобы растянуть стальной стержень квадратного поперечного сечения со стороной 1 см на 0,1% его длины:

F = Y ´ A ´D L /L = 200 000 МПа ´ 1 см² ´ 0,001 = 20 000 Н (= 20 кН)

Когда к металлическому образцу прикладываются напряжения, превышающие его предел упругости, они вызывают пластическую (необратимую) деформацию, приводящую к необратимому изменению его формы. Более высокие напряжения могут вызвать разрушение материала.

Важнейшим критерием при выборе металлического материала, от которого требуется высокая упругость, является предел текучести. У самых лучших пружинных сталей практически такой же модуль упругости, как и у самых дешевых строительных, но пружинные стали способны выдерживать гораздо большие напряжения, а следовательно, и гораздо большие упругие деформации без пластической деформации, поскольку у них выше предел текучести.

Пластические свойства металлического материала (в отличие от упругих) можно изменять путем сплавления и термообработки. Так, предел текучести железа подобными методами можно повысить в 50 раз. Чистое железо переходит в состояние текучести уже при напряжениях порядка 40 МПа, тогда как предел текучести сталей, содержащих 0,5% углерода и несколько процентов хрома и никеля, после нагревания до 950 ° С и закалки может достигать 2000 МПа.

Когда металлический материал нагружен с превышением предела текучести, он продолжает деформироваться пластически, но в процессе деформирования становится более твердым, так что для дальнейшего увеличения деформации требуется все больше повышать напряжение. Такое явление называется деформационным или механическим упрочнением (а также наклепом).

Его можно продемонстрировать, скручивая или многократно перегибая металлическую проволоку. Деформационное упрочнение металлических изделий часто осуществляется на заводах. Листовую латунь, медную проволоку, алюминиевые стержни можно холодной прокаткой или холодным волочением довести до уровня твердости, который требуется от окончательной продукции.

2 Растяжение

Соотношение между напряжением и деформацией для материалов часто исследуют, проводя испытания на растяжение, и при этом получают диаграмму растяжения – график, по горизонтальной оси которого откладывается деформация, а по вертикальной – напряжение (рис. 1).

Хотя при растяжении поперечное сечение образца уменьшается (а длина увеличивается), напряжение обычно вычисляют, относя силу к исходной площади поперечного сечения, а не к уменьшенной, которая давала бы истинное напряжение. При малых деформациях это не имеет особого значения, но при больших может приводить к заметной разнице. На рис. 1 представлены кривые деформация – напряжение для двух материалов с неодинаковой пластичностью. (Пластичность – это способность материала удлиняться без разрушения, но и без возврата к первоначальной форме после снятия нагрузки.) Начальный линейный участок как той, так и другой кривой заканчивается в точке предела текучести, где начинается пластическое течение. Для менее пластичного материала высшая точка диаграммы, его предел прочности на растяжение, соответствует разрушению. Для более пластичного материала предел прочности на растяжение достигается тогда, когда скорость уменьшения поперечного сечения при деформировании становится больше скорости деформационного упрочнения. На этой стадии в ходе испытания начинается образование «шейки» (локальное ускоренное уменьшение поперечного сечения).

Хотя способность образца выдерживать нагрузку уменьшается, материал в шейке продолжает упрочняться. Испытание заканчивается разрывом шейки.

Рис. 1. Диаграмма растяжения

Диаграмма растяжения для двух металлов с разной пластичностью: сравнительно хрупкого (штриховая линия) и более пластичного (сплошная линия).

Пределы текучести обоих металлов почти совпадают. Более хрупкий металл разрушается по достижении своего предела прочности при растяжении, а более пластичный – пройдя через свой предел прочности.

Типичные значения величин, характеризующих прочность на растяжение ряда металлов и сплавов, представлены в табл. 2. Нетрудно видеть, что эти значения для одного и того же материала могут сильно различаться в зависимости от обработки.

Таблица 2

Металлы и сплавы Состояние Предел текучести, МПа Предел прочности на растяжение, МПа Удлинение, % Малоуглеродистая сталь (0,2% С) Горячекатанная 300 450 35 Среднеуглеродистая сталь (0,4% С, 0,5% Mn) Упрочненная и отпущенная 450 700 21 Высокопрочная сталь (0,4% С, 1,0% Mn, 1,5% Si, 2,0% Cr, 0,5% М o) Упрочненная и отпущенная 1750 2300 11 Серый чугун После литья – 175–300 0,4 Алюминий технически чистый Отожженный 35 90 45 Алюминий технически чистый Деформационно-упрочненный 150 170 15 Алюминиевый сплав (4,5% Cu, 1,5% Mg, 0,6% Mn) Упрочненный старением 360 500 13 Латунь листовая (70% Cu, 30% Zn) Полностью отожженная 80 300 66 Латунь листовая (70% Cu, 30% Zn) Деформационо- упрочненная 500 530 8 Вольфрам, проволока Тянутая до диаметра 0,63 мм 2200 2300 2,5 Свинец После литья 0,006 12 30

3 Сжатие

. Упругие и пластические свойства при сжатии обычно весьма сходны с тем, что наблюдается при растяжении (рис. 2).

Кривая соотношения между условным напряжением и условной деформацией при сжатии проходит выше соответствующей кривой для растяжения только потому, что при сжатии поперечное сечение образца не уменьшается, а увеличивается. Если же по осям графика откладывать истинное напряжение и истинную деформацию, то кривые практически совпадают, хотя при растяжении разрушение происходит раньше.

Рис. 2. Диаграммы растяжения и сжатия.

Кривая условного напряжения для сжатия проходит выше, чем для растяжения, только потому, что при сжатии поперечное сечение увеличивается, а не уменьшается.

4 Твердость

Твердость материала – это его способность сопротивляться пластической деформации. Поскольку испытания на растяжение требуют дорогостоящего оборудования и больших затрат времени, часто прибегают к более простым испытаниям на твердость. При испытаниях по методам Бринелля и Роквелла в поверхность металла при заданных нагрузке и скорости нагружения вдавливают «индентор» (наконечник, имеющий форму шара или пирамиды).

Затем измеряют (часто это делается автоматически) размер отпечатка, и по нему определяют показатель (число) твердости. Чем меньше отпечаток, тем больше твердость. Твердость и предел текучести – это в какой-то мере сравнимые характеристики: обычно при увеличении одной из них увеличивается и другая.

Может сложиться впечатление, что в металлических материалах всегда желательны максимальные предел текучести и твердость. На самом деле это не так, и не только по экономическим соображениям (процессы упрочнения требуют дополнительных затрат).

Во-первых, материалам необходимо придавать форму различных изделий, а это обычно осуществляется с применением процессов (прокатки, штамповки, прессования), в которых важную роль играет пластическая деформация. Даже при обработке на металлорежущем станке очень существенна пластическая деформация. Если твердость материала слишком велика, то для придания ему нужной формы требуются слишком большие силы, вследствие чего режущие инструменты быстро изнашиваются. Такого рода трудности можно уменьшить, обрабатывая металлы при повышенной температуре, когда они становятся мягче. Если же горячая обработка невозможна, то используется отжиг металла (медленные нагрев и охлаждение).