Механические свойства, деформация и рекристаллизация металлов.

Механические свойства материалов

Механические свойства характеризуют способность материа­лов сопротивляться действию внешних сил. К основным механичес­ким свойствам относятся прочность, твердость, ударная вязкость, упругость, пластичность, хрупкость и др.

Прочность — это способность материала сопротивляться раз­рушающему воздействию внешних сил.

Твердость — это способность материала сопротивляться вне­дрению в него другого, более твердого тела под действием нагрузки.

Вязкостью называется свойство материала сопротивляться раз­рушению под действием динамических нагрузок.

Упругость — это свойство материалов восстанавливать свои раз­меры и форму после прекращения действия нагрузки.

Пластичностью называется способность материалов изменять свои размеры и форму под действием внешних сил, не разрушаясь при этом.

Хрупкость — это свойство материалов разрушаться под дей­ствием внешних сил без остаточных деформаций.

При статических испытаниях на растяжение определяют вели­чины, характеризующие прочность, пластичность и упругость мате­риала. Испытания производятся на цилиндрических (или плоских) образцах с определенным соотношением между длиной l0 и диа­метром d0. Образец растягивается под действием приложенной силы Р (рис. 1, а) до разрушения. Внешняя нагрузка вызывает в образце напряжение и деформацию. Напряжение σ — это отношение силы Р к площади поперечного сечения F0, МПа:

σ = P/F0,

Деформация характеризует изменение размеров образца под дей­ствием нагрузки, %:

ε = [(l1-l0)/l0] · 100,

где l1 — длина растянутого образца.

Деформация может быть упру­гой (исчезающей после снятия нагрузки) и пластической (остаю­щейся после снятия нагрузки).

При испытаниях стоится диаграмма растяжения, представляющая собой зависимость напряжения от деформации. На рис. 1 приведена такая диаграмма для низкоуглеродистой стали. После проведения ис­пытаний определяются следующие характеристики механических свойств.

Предел упругости σу — это максимальное напряжение при кото­ром в образце не возникают пластические деформации.

Предел текучести σт — это напряжение, соответствующее площадке текучести на диаграмме растяжения (рис. 1). Если на диаграмме нет площадки текучести (что наблюдается для хрупких материалов), то определяют условный предел текучести σ0,2— напряжение, вызывающее пластическую деформацию, равную 0,2 %. Предел прочности (или временное сопротивление) σв — это на­пряжение, отвечающее максимальной нагрузке, которую выдержи­вает образец при испытании.

Относительное удлинение после разрыва δ — отношение при­ращения длины образца при растяжении к начальной длине l0, %:

δ = [(lk-l0)/l0] · 100,

где lк — длина образца после разрыва.

Рис. 1. Статические испытания на растяжение: а – схема испытания;

б – диаграмма растяжения

Относительным сужением после разрыва ψ называется умень­шение площади поперечного сечения образца, отнесенное к началь­ному сечению образца, %:

ψ = [(F0-Fk)/F0] · 100,

где Fк — площадь поперечного сечения образца в месте разрыва. Относительное удлинение и относительное сужение характеризуют пластичность материала.

Твердость металлов измеряется путем вдавливания в испытуе­мый образен твердого наконечника различной формы/

Метод Бринелля основан на вдавливании в поверхность металла стального закаленного шарика под действием определенной нагрузки. После снятия нагрузки в образце остается отпечаток. Число твердо­сти по Бринеллю НВ определяется отношением нагрузки, действую­щей на шарик, к площади поверхности полученного отпечатка.

Метод Роквелла основан на вдавливании в испытуемый образец закаленного стального шарика диаметром 1,588 мм (шкала В) или алмазного конуса с углом при вершине 120° (шкалы А и С). Вдавли­вание производится под действием двух нагрузок — предваритель­ной равной 100 Н и окончательной равной 600, 1000. 1500 Н для шкал А, В и С соответственно. Число твердости по Роквеллу HRA, HRB и HRC определяется по разности глубин вдавливания.

В методе Виккерса применяют вдавливание алмазной четырех­гранной пирамиды с углом при вершине 136°. Число твердости по Виккерсу HV определяется отношением приложенной нагрузки к площади поверхности отпечатка.

Ударная вязкость определяется работой A, затраченной на разрушение образца, отнесенной к площади его поперечною сече­ния F; Дж/м2:

KC = A/F

Испытания проводятся ударом специального маятникового коп­ра. Для испытания применяется стандартный надрезанный образец, устанавливаемый на опорах копра. Маятник определенной массы наносит удар по стороне противоположной надрезу.

Понятие конструкционная прочность материалов и критерии её оценки

Факторы, которые определяют работу конструкционных материалов:

• статические, циклические и ударные нагрузки;
• низкие и высокие температуры;
• контакт с различными средами.

Эти факторы определяют требования к конструкционным материалам, основные из которых – эксплуатационные, технологические, экономические.

Эксплуатационные требования имеют первостепенное значение. Для того чтобы обеспечить работоспособность конкретных машин и приборов, конструкционный материал должен иметь высокую конструкционную прочность.

Конструкционной прочностью называется комплекс механических свойств, обеспечивающих надёжную и длительную работу материала в условиях эксплуатации.

Надо помнить, что требуемые характеристики механических свойств материала для конкретного изделия зависят не только от силовых факторов, но и воздействия на него рабочей среды и температуры.

Рабочая среда – жидкая, газообразная, ионизированная, радиационная, как правило, оказывает отрицательное влияние на механические свойства материала (коррозионное растрескивание, окисление, изменение химического состава и как результат охрупчивание и т.д.)

Температурный диапазон от -269 до 2000оС. От материала требуется – жаропрочность, а при низких температурах – хладостойкость.

Технологические требования направлены на обеспечение наименьшей трудоёмкости изготовления деталей и конструкций. Технологичность материала характеризует возможные методы его обработки. Она оценивается: обрабатываемостью резанием, давлением, свариваемостью, способностью к литью, прокаливаемостью, склонностью к деформации и короблению при термической обработке. От неё зависят производительность и качество изготовления детали.

Экономические требования сводятся к тому, чтобы материал имел невысокую стоимость и был доступным. Использование материалов, содержащих легирующие элементы (особенно дефицитные), должно быть обоснованно повышением эксплуатационных свойств детали. Эти требования приобретают особое значение при массовом масштабе производства.

Конструкционная прочность – комплексная характеристика, включающая сочетание критериев:

• прочности;
• надёжности;
• долговечности.

Критерии прочности материала выбирают в зависимости от условий его работы.

При статических нагрузках, при испытании на растяжения, предел прочности (σв) или предел текучести (σ0,2, σт) – характеризуют сопротивление материала пластической деформации (рис.1). Для приближенной оценки статической прочности используют твёрдость НВ или НR (рис.2, 3) (для стали справедливо эмпирическое соотношение σв = НВ/3).

Рис.1 Испытание на растяжение

Рис.2 Измерение твёрдости по Бринеллю

При циклических нагрузках: предел выносливости σR(при симметричном круговом изгибе σ-1).

Надо помнить – чем больше прочность материала, тем большие допустимые рабочие напряжения и тем самым меньшие размеры и масса детали.

Однако – повышение уровня прочности материала и, как следствие, рабочих напряжений сопровождается увеличением упругих деформаций:

εупр = σупр/Е,

где Е – модуль нормальной упругости (модуль Юнга), характеристика жёсткости металла. Именно критерии жёсткости, а не прочности обуславливают размеры станин станков, корпусов редукторов и других деталей, от которых требуется сохранение точных размеров и формы.

Возможно и противоположное требование. Для пружин, мембран и других чувствительных упругих элементов приборов, важно обеспечить большие упругие перемещения. Тогда от материала требуется высокий предел упругости σупри низкий модуль упругости Е.

Рис.3 Измерение твёрдости по Роквеллу

Дополнение: для материалов, используемых в авиационной и ракетной технике, важное значение имеет эффективность материала по массе. Она оценивается удельными характеристиками:

• удельной прочностью σв/ρg (ρ – плотность, g – ускоренное свободное падение);
• удельной жёсткостью Е/ ρg.

Примечание: для оценки конструкционной прочности необходимы характеристики прочности при рабочих температурах и в эксплуатационных средах.

Вывод – в качестве критериев конструкционной прочности выбирают те характеристики, которые наиболее полно отражают прочность в конкретных условиях эксплуатации.

Надёжность – свойство материала противостоять хрупкому разрушению (внезапному отказу).

Для предупреждения хрупкого разрушения конструкционные материалы должны обладать:

• достаточной пластичностью δ, % и ψ, %;
• ударной вязкостью КСU (МДж/м2) рис.4, рис.5

Рис. 4 Маятниковый копёр для определения ударной вязкости

Рис.5 Испытания на ударную вязкость

Однако эти параметры определены на лабораторных образцах, без учёта реальных условий эксплуатации конкретной детали. Необходимо учитывать то, что в условиях эксплуатации действуют факторы, дополнительно снижающие их пластичность, вязкость и увеличивающие опасность хрупкого разрушения:

• концентраторы напряжений (надрезы);
• понижение температуры;
• динамические нагрузки;
• увеличение размеров деталей (масштабный фактор).

Для того чтобы избежать внезапных поломок в условиях эксплуатации, необходимо учитывать трещиностойкость.

Трещиностойкость – группа параметров надёжности, характеризующих способность материала тормозить развитие трещины.

Трещины являются острыми концентраторами напряжений, местные (локальные) напряжения в вершине которых могут во много раз превышать средние расчётные напряжения.

Для трещины длиной l и радиусом r напряжения в вершине:

σуmах = σср 2√ l/ r

Концентрация напряжений тем больше, чем длиннее трещина и острее её вершина. Для пластичных материалов опасность таких дефектов не велика. Хрупкие материалы, наоборот, чрезвычайно чувствительны к надрезам.

Оценку надёжности высокопрочных материалов по размеру допустимого дефекта (трещины) проводят по критерию Ж.Ирвина (К).

К = σср √ α π lкр , (МПа х мм1/2 )

где π – безразмерный коэффициент, характеризующий геометрию трещины.

К – критерий вязкости разрушения, зависит от степени пластической деформации у вершины трещины (её затуплении) и характеризует развитие вязкой трещины. Чем он больше, тем выше надёжность материала.

Для оценки надёжности материала используют также параметры:

• ударную вязкость КСU, КСV, КСТ (МДж/м2);
• температурный порог хладноломкости Т50 .

Параметром КСV оценивают пригодность материала для сосудов давлении, трубопроводов и других конструкций повышенной надёжности.

Параметр КСТ, определяемый на образцах с трещиной усталости у основания надреза, более показателен. Он учитывается при выборе материала для конструкций особо ответственного назначения (летательных аппаратов, роторов турбин).

Порог хладноломкости Т50характеризует влияние снижения температуры на склонность материала к хрупкому разрушению. Его определяют по результатам ударных испытаний образцов с надрезом при понижающейся температуре (рис.6). Т50 – обозначает температуру при которой в изломе образца имеется 50% волокнистой составляющей, и величина КСТ снижается на половину.

Рис.6 Температура Тхл. (Т50) порог хладноломкости

Долговечность – свойство материала сопротивляться развитию постепенного разрушения (постепенного отказа), обеспечивая работоспособность деталей в течение заданного времени (ресурса).

Постепенный отказ – потеря материалом работоспособности, при наступлении которой детали заменяют без угрозы аварийных последствий.

Причины потери работоспособности, т.е. постепенного отказа:

• развитие процессов усталости;
• изнашивание;
• ползучести;
• коррозии;
• радиационного разбухания и пр.

Эти процессы вызывают постепенное накопление необратимых повреждений в материале и его разрушение. Обеспечение долговечности материала означает уменьшение до требуемых значений скорости его разрушения.

Для большинства деталей машин (более 80%) долговечность определяется сопротивлением материала усталостным разрушениям (циклической долговечностью) или сопротивлением изнашиванию (износостойкостью).

Циклическая долговечность характеризует работоспособность материала в условиях многократно повторяющихся циклов напряжения. Цикл напряжения – совокупность изменения напряжения между двумя его предельными значениями σmaх и σmin в течение периода Т.

Синусоидальный цикл изменения напряжения характеризуется коэффициентом асимметрии цикла R = σmin / σmaх; амплитудой напряжения σa = (σmaхσmin) /2; средним напряжением цикла σm = (σmaх + σmin) /2.

Процессы постепенного накопления повреждений в материале под действием циклических нагрузок, приводящие к изменению его свойств, образованию трещин, их развитию и разрушению, называют усталостью, а свойства противостоять усталости – выносливостью (рис.7).

Разрушение от усталости по сравнению с разрушением от статической нагрузки имеет ряд особенностей:

1. Оно происходит при напряжениях, меньших, чем при статической нагрузке;
2. Разрушение начинается на поверхности локально;
3. Разрушение протекает в несколько стадий и имеет характерное строение излома:
   очаг зарождения трещины;
4. зону усталости. В это зоне видны характерные бороздки, которые имеют конфигурацию колец, что свидетельствует о скачкообразном продвижении трещины усталости.
5. зону долома.

О способности материала работать в условиях циклического нагружения судят по результатам испытаний образцов на усталость. Результаты испытаний изображают в виде кривой усталости: σmaх от числа циклов нагружения N. Горизонтальный участок определяет напряжение, которое не вызывает усталостного разрушения после неограниченного большого числа циклов. Это напряжение представляет собой физический предел выносливости σR (R – коэффициент асимметрии цикла), при симметричном цикле σ-1.

Ри.7 Испытание на выносливость

Кривые усталости позволяют определить следующие критерии выносливости:

• циклическую прочность – наибольшее напряжение, которое он способен выдержать за определённое время работы. Ограниченный предел выносливости;
• циклическую долговечность – число циклов (часов), которое выдерживает материал до образования усталостной трещины или до усталостного разрушения при заданном напряжении.

Циклическая прочность и долговечность зависят от большого числа факторов, из которых решающее значение имеют структура и напряжённое состояние поверхностного слоя, качество поверхности и воздействие коррозионной среды. (Отверстия, канавки, проточки, риски, поры, раковины, неметаллические включения и др.).

Дополнительные критерии выносливости:

1. живучесть – определяемая скоростью роста трещины усталости (СРТУ). При высокой живучести можно своевременно путём дефектоскопии обнаружить трещину, заменить деталь и обеспечить безаварийную работу.
2. износостойкость – свойство материала оказывать в определённых условиях трения сопротивление изнашиванию. Износ – процесс постепенного разрушения поверхностных слоёв материала путём отделения его частиц под влиянием сил трения. Его определяют по изменению размеров, объёма или массы. Существует три периода износа:
   начальный, период приработки;
3. период установившегося (нормального) износа;
4. период катастрофического износа. Материал, устойчивый к изнашиванию в одних условиях, может катастрофически быстро разрушаться в других.

Эта задача решается рациональным выбором материала трущихся пар и способа его обработки.

• ползучесть – определяется скоростью развития пластической деформации материала при постоянном напряжении и при высоких температурах.

Таким образом, работоспособность материала детали в условиях эксплуатации характеризуют следующие критерии конструкционной прочности:

1. критерии прочности σв, σ0,2, σ-1, которые при заданном запасе прочности определяют допустимые рабочие напряжения, массу и размеры деталей;
2. модуль упругости Е, который при заданной геометрии детали определяет величину упругих деформаций, т.е. её жёсткость;
3. пластичность δ, ψ, ударная вязкость КСТ, КСV, КСU, вязкость разрушения К, температурный порог хладноломкости Т50, которые оценивают надёжность материала при эксплуатации;
4. циклическая долговечность, скорости изнашивания, ползучести, коррозии, определяющие долговечность материала.

Прочность древесины на растяжение

Растяжение вдоль волокон. Предел прочности древесины на рас­тяжение вдоль волокон сравнительно слабо зависит от влажности дре­весины, но резко падает при малейшем отклонении волокон от нап­равления продольной оси образца. В среднем для всех пород предел прочности на растяжение вдоль волокон составляет около 130 МПа, Несмотря на столь высокую прочность, древесина в конструкциях и изделиях крайне редко работает на растяжение вдоль волокон из-за трудности предотвращения разрушения деталей в местах закрепления (под действием сжимающих и скалывающих нагрузок). Растяжение поперек волокон. Из данных, приведенных в раз­личных источниках, следует, что прочность древесины при растяже­нии поперек волокон в радиальном направлении больше, чем в танген­циальном, у хвойных пород— на 10-50%, у лиственных— на20-70%. Наибольшую прочность имеют твердые рассеяннососудистые листвен­ные породы, затем идут кольцесосудистые лиственные и далее мягкие рассеяннососудистые лиственные. Хвойные породы по сравнению с лиственными имеют значительно меньшую прочность при растяже­нии как в радиальном, так и в тангенциальном направлении. В среднем прочность при растяжении вдоль волокон примерно в 20 раз превышает прочность при растяжении поперек волокон. Характеристики прочности для рассматриваемого вида усилий не­обходимы для разработки режимов резания и сушки древесины. Именно они ограничивают предельные значения сушильных напря­жений, достижение которых вызывают растрескивание материала. При расчете безопасных режимов сушки древесины учитывают зави­симость пределов прочности от влажности и температуры, а также длительность действия нагрузки. Л при конструировании изделий они практически не применяются, т. к. конструкторы стараются избегать нагружеиия. в котором действуют заметные растягивающие нагрузки поперек волокон.

Прочность древесины при сжатии

Сжатие вдоль волокон. Предел прочности при сжатии вдоль волокон наименее изменчив по сравнению с показателями других свойств древесины. В конструкциях и изделиях древе­сина очень часто работает на сжатие вдоль волокон, что объяс­няется ее высокой прочностью при данном виде воздействия и удобством их приложения. Можно выделить типичные виды разрушения при сжатии вдоль волокон. У пород с легко деформируемой древесиной, а также у всех пород при высокой влажности древесины наб­людается смятие торцов образца. У пород с повышенной жес­ткостью при разрушении появляется косая складка, обычно расположенная под углом 60-70″ на тангенциальной повер­хности образца. Довольно часто можно обнаружить у разру­шенного образца две встречные косые складки, образующие клиновидный участок, под которым видна трещина от про­дольного раскола. Иногда наблюдается расслоение образца и другие виды разрушения. Все это свидетельствует о существен­ном влиянии на показатели прочности при сжатии вдоль воло­кон особенностей строения и анизотропии механических свойств древесины. Данные о пределах прочности наиболее распространенных в России пород приведены в таблице 1.

Сжатие поперек волокон. Возможны три типичных слу­чая разрушения для этого типа нагружения. Первый характе­рен для древесины хвойных пород (радиальное направление). Сначала происходит сжатие слабой ранней древесины годич­ных слоев, затем, после потери устойчивости анатомических элементов, происходит процесс их смятия, не требующий больших дополнительных усилий. Последняя фаза деформи­рования не связана с разрушением, т. к. здесь начинает оказы­вать сопротивление более прочная и жесткая поздняя древеси­на и, несмотря на большие нагрузки, происходит лишь уплот­нение древесины. Второй тип характерен для лиственных по­род как в радиальном, так и в тангенциальном направлениях. В данном случае вторая фаза выражена менее явно. Совсем иная картина наблюдается для древесины хвойных пород при сжатии в тангенциальном направлении. При этом усилия вос­принимают одновременно ранние и поздние зоны годичных слоев. Это более прочные зоны и это обстоятельство приводит к разрушению образца. Он выпучивается в сторону выпуклос­ти годичных слоев. Примерно такой же характер разрушения наблюдается для сухой древесины дуба в радиальном направлении. Результаты исследований показывают, что предел прочности при сжатии поперек волокон для всех пород примерно в 10 раз меньше предела прочности при сжатии вдоль волокон. Не менее интересны данные испытаний на местное смятие попе­рек волокон (определение контактной прочности древесины). Здесь воздействие происходит не на всю поверхность детали (образца), а лишь на ее часть. Предел прочности на местное смятие из-за дополни­тельного сопротивления волокон изгибу оказывается несколько (на 20-25%) выше, чем при простом сжатии. Сжатие поперек волокон происходит в случае изготовления прес­сованной древесины, местное смятие— в случае местного воздей­ствия на паркет и т. д.

Механические свойства материалов,

совокупность показателей, характеризующих сопротивление материала воз действующей на него нагрузке, его способность деформироваться при этом, а также особенности его поведения в процессе разрушения. В соответствии с этим М. с. м. измеряют напряжениями (обычно в
кгс/мм2
или
Мн/м2
)
,
деформациями (в %), удельной работой деформации и разрушения (обычно в
кгс
×
м/см2
или
Мдж/м2
)
,
скоростью развития процесса разрушения при статической или повторной нагрузке (чаще всего в
мм
за 1
сек
или за 1000 циклов повторений нагрузки,
мм/кцикл
)
.
М. с. м. определяются при механических испытаниях образцов различной формы.

В общем случае материалы в конструкциях могут подвергаться самым различным по характеру нагрузкам (рис. 1

): работать на
растяжение,
сжатие,
изгиб
,
кручение
, срез и т. д. или подвергаться совместному действию нескольких видов нагрузки, например растяжению и изгибу. Также разнообразны условия эксплуатации материалов и по температуре, окружающей среде, скорости приложения нагрузки и закону её изменения во времени. В соответствии с этим имеется много показателей М. с. м. и много методов механических испытаний. Для металлов и конструкционных пластмасс наиболее распространены испытания на растяжение,
твёрдость
, ударный изгиб; хрупкие конструкционные материалы (например, керамику, металлокерамику) часто испытывают на сжатие и статический изгиб; механические свойства композиционных материалов важно оценивать, кроме того, при испытаниях на сдвиг.

Диаграмма деформации.

Приложенная к образцу нагрузка вызывает его
деформацию
. Соотношения между нагрузкой и деформацией описываются т. н. диаграммой деформации (
рис. 2
). Вначале деформация образца (при растяжении — приращение длины D
l
) пропорциональна возрастающей нагрузке
Р
, затем в точке
n
эта пропорциональность нарушается, однако для увеличения деформации необходимо дальнейшее повышение нагрузки
Р
; при D
l
> D
l
в деформация развивается без приложения усилия извне, при постепенно падающей нагрузке. Вид диаграммы деформации не меняется, если по оси ординат откладывать напряжение

а по оси абсцисс — относительное удлинение

(F0

и
l0
— соответственно начальная площадь поперечного сечения и расчётная длина образца).

Сопротивление материалов измеряется напряжениями, характеризующими нагрузку, приходящуюся на единицу площади поперечного сечения образца

в кгс/мм2.

Напряжение

при котором нарушается пропорциональный нагрузке рост деформации, называется пределом пропорциональности. При нагрузке Р

<
Рn
разгрузка образца приводит к исчезновению деформации, возникшей в нём под действием приложенного усилия; такая деформация называется упругой. Небольшое превышение нагрузки относительно
Рn
может не изменить характера деформации — она по-прежнему сохранит упругий характер. Наибольшая нагрузка, которую выдерживает образец без появления остаточной пластической деформации при разгрузке, определяет предел упругости материала:

У конструкционных неметаллический материалов (пластмассы, резины) приложенная нагрузка может вызвать упругую, высокоэластическую и остаточную деформации. В отличие от упругой, высокоэластическая деформация исчезает не сразу после разгрузки, а с течением времени. Высокопрочные армированные полимеры (стеклопластики, углепластики и др.) разрушаются при удлинении 1—3%. На последних стадиях нагружения у некоторых армированных полимеров появляется высокоэластическая деформация. Высокоэластический модуль ниже модуля упругости, поэтому диаграмма деформации в этом случае имеет тенденцию отклоняться к оси абсцисс.

Упругие свойства.

В упругой области напряжение и деформация связаны коэффициентом пропорциональности. При растяжении s = Еd, где
Е
— т. н. модуль нормальной упругости, численно равный тангенсу угла наклона прямолинейного участка кривой s = s(d) к оси деформации (
рис. 2
). При испытании на растяжение цилиндрического или плоского образца одноосному (s1>0; (s2 = s3 = 0) напряжённому состоянию соответствует трёхосное деформированное состояние (приращение длины в направлении действия приложенных сил и уменьшение линейных размеров в двух других взаимно перпендикулярных направлениях): d1>0; d2 = d3 < 0. Соотношение между поперечной и продольной деформацией (коэффициент Пуассона)

в пределах упругости для основных конструкционных материалов колеблется в довольно узких пределах (0,27—0,3 для сталей, 0,3—0,33 для алюминиевых сплавов). Коэффициент Пуассона является одной из основных расчётных характеристик. Зная m и Е

, можно расчётным путём определить и модуль сдвига

и модуль объёмной упругости

Для определения Е, G

, и m пользуются
тензометрами
.

Сопротивление пластической деформации.

При нагрузках
Р
>
Рв
наряду со всё возрастающей упругой деформацией появляется заметная необратимая, не исчезающая при разгрузке пластическая деформация. Напряжение, при котором остаточная относительная деформация (при растяжении — удлинение) достигает заданной величины (по ГОСТ — 0,2 %), называется условным пределом текучести и обозначается

Практически точность современных методов испытания такова, что sп и sе определяют с заданными допусками соответственно на отклонение от закона пропорциональности [увеличение ctg(90 — a) на 25—50 %] и на величину остаточной деформации (0,003—0,05 %) и говорят об условных пределах пропорциональности и упругости. Кривая растяжения конструкционных металлов может иметь максимум (точка в на рис. 2

) или обрываться при достижении наибольшей нагрузки
Рв
’. Отношение

характеризует временное сопротивление (предел прочности) материала. При наличии максимума на кривой растяжения в области нагрузок, лежащих на кривой левее в

, образец деформируется равномерно по всей расчётной длине
l
0, постепенно уменьшаясь в диаметре, но сохраняя начальную цилиндрическую или призматическую форму. При пластической деформации металлы упрочняются, поэтому, несмотря на уменьшение сечения образца, для дальнейшей деформации требуется прикладывать всё возрастающую нагрузку. sв, как и условные s0,2, sn и sе, характеризует сопротивление металлов пластической деформации. На участке диаграммы деформации правее в форма растягиваемого образца изменяется: наступает период сосредоточенной деформации, выражающейся в появлении «шейки». Уменьшение сечения в шейке «обгоняет» упрочнение металлов, что и обусловливает падение внешней нагрузки на участке
Рв — Pk
.

У многих конструкционных материалов сопротивление пластической деформации в упруго-пластической области при растяжении и сжатии практически одинаково. Для некоторых металлов и сплавов (например, магниевые сплавы, высокопрочные стали) характерны заметные различия по этой характеристике при растяжении и сжатии. Сопротивление пластической деформации особенно часто (при контроле качества продукции, стандартности режимов термической обработки и в др. случаях) оценивается по результатам испытаний на твёрдость путём вдавливания твёрдого наконечника в форме шарика (твёрдость по Бринеллю или Роквеллу), конуса (твёрдость по Роквеллу) или пирамиды (твёрдость по Виккерсу). Испытания на твёрдость не требуют нарушения целостности детали и потому являются самым массовым средством контроля механических свойств. Твёрдость по Бринеллю (HB) при вдавливании шарика диаметром D

под нагрузкой
Р
характеризует среднее сжимающее напряжение, условно вычисляемое на единицу поверхности шарового отпечатка диаметром
d
:

Характеристики пластичности.

Пластичность при растяжении конструкционных материалов оценивается удлинением

или сужением

при сжатии — укорочением

(где h0

и
hk
— начальная и конечная высота образца), при кручении — предельным углом закручивания рабочей части образца Q,
рад
или относительным сдвигом g = Q
r
(где
r
— радиус образца). Конечная ордината диаграммы деформации (точка
k
на
рис. 2
) характеризует сопротивление разрушению металла
Sk
, которое определяется

(Fk

— фактическая площадь в месте разрыва).

Характеристики разрушения.

Разрушение происходит не мгновенно (в точке
k
), а развивается во времени, причём начало в разрушения может соответствовать какой-то промежуточной точке на участке
вк
, а весь процесс заканчиваться при постепенно падающей до нуля нагрузке. Положение точки к на диаграмме деформации в значительной степени определяется жёсткостью испытательной машины и иннерционностью измерительной системы. Это делает величину
Sk
в большой мере условной.

Многие конструкционные металлы (стали, в том числе высокопрочные, жаропрочные хромоникелевые сплавы, мягкие алюминиевые сплавы и др.) разрушаются при растяжении после значительной пластической деформации с образованием шейки. Часто (например, у высокопрочных алюминиевых сплавов) поверхность разрушения располагается под углом примерно 45° к направлению растягивающего усилия. При определенных условиях (например, при испытании хладноломких сталей в жидком азоте или водороде, при воздействии растягивающих напряжений и коррозионной среды для металлов, склонных к коррозии под напряжением) разрушение происходит по сечениям, перпендикулярным растягивающей силе (прямой излом), без макропластической деформации.

Прочность материалов, реализуемая в элементах конструкций, зависит не только от механических свойств самого металла, но и от формы и размеров детали (т. н. эффекты формы и масштаба), упругой энергии, накопленной в нагруженной конструкции, характера действующей нагрузки (статическая, динамическая, периодически изменяющаяся по величине), схемы приложения внешних сил (растяжение одноосное, двухосное, с наложением изгиба и др.), рабочей температуры, окружающей среды. Зависимость прочности и пластичности металлов от формы характеризуется т. н. чувствительностью к надрезу, оцениваемой обычно по отношению пределов прочности надрезанного и гладкого образцов

(у цилиндрических образцов надрез обычно выполняют в виде круговой выточки, у полос — в виде центрального отверстия или боковых вырезов). Для многих конструкционных материалов это отношение при статической нагрузке больше единицы, что связано со значительной местной пластической деформацией в вершине надреза. Чем острее надрез, тем меньше локальная пластическая деформация и тем больше доля прямого излома в разрушенном сечении. Хорошо развитый прямой излом можно получить при комнатной температуре у большинства конструкционных материалов в лабораторных условиях, если растяжению или изгибу подвергать образцы массивного сечения (тем толще, чем пластичнее материал), снабдив эти образцы специальной узкой прорезью с искусственно созданной трещиной (рис. 3

). При растяжении широкого, плоского образца пластическая деформация затруднена и ограничивается небольшой областью размером 2
ry
(на
рис. 3
, б заштрихована), непосредственно примыкающей к кончику трещины. Прямой излом обычно характерен для эксплуатационных разрушений элементов конструкций.

Широкое распространение получили предложенные американским учёным Дж. Р. Ирвином в качестве констант для условий хрупкого разрушения такие показатели, как критический коэффициент интенсивности напряжений при плоской деформации K1C

и вязкость разрушения

При этом процесс разрушения рассматривается во времени и показатели K1C

(
G1C
) относятся к тому критическому моменту, когда нарушается устойчивое развитие трещины; трещина становится неустойчивой и распространяется самопроизвольно, когда энергия, необходимая для увеличения её длины, меньше энергии упругой деформации, поступающей к вершине трещины из соседних упруго напряжённых зон металла.

При назначении толщины образца t

и размеров трещины 2
lтр
исходят из следующего требования

Коэффициент интенсивности напряжений К

учитывает не только значение нагрузки, но и длину движущейся трещины:

(l учитывает геометрию трещины и образца), выражается в кгс/мм3/2

или
Мн/м3/2.
По
K1C
или
G1C
можно судить о склонности конструкционных материалов к хрупкому разрушению в условиях эксплуатации.

Для оценки качества металла весьма распространены испытания на ударный о изгиб призматических образцов, имеющих на одной стороне надрез. При этом оценивают ударную вязкость

(в
кгс
×
м/см2
или
Мдж/м2
)
—
работу деформации и разрушения образца, условно отнесённую к поперечному сечению в месте надреза. Широкое распространение получили испытания на ударный изгиб образцов с искусственно полученной в основании надреза трещиной усталости. Работа разрушения таких образцов
ату
находится в целом в удовлетворительном соответствии с такой характеристикой разрушения, как
K1C
, и ещё лучше с отношением

Временная зависимость прочности.

С увеличением времени действия нагрузки сопротивление пластической деформации и сопротивление разрушению понижаются. При комнатной температуре у металлов это становится особенно заметным при воздействии коррозионной (коррозия под напряжением) или др. активной (эффект Ребиндера) среды. При высоких температурах наблюдается явление
ползучести
, т. е. прироста пластической деформации с течением времени при постоянном напряжении (
рис. 4
, а). Сопротивление металлов ползучести оценивают условным пределом ползучести — чаще всего напряжением, при котором пластическая деформация за 100
ч
достигает 0,2 %, и обозначают его s0,2/100. Чем выше температура
t
, тем сильнее выражено явление ползучести и тем больше снижается во времени сопротивление разрушению металла (
рис. 4
, б)
.
Последнее свойство характеризуют т. н. пределом длительной прочности, т. е. напряжением, которое при данной температуре вызывает разрушение материала за заданное время (например, st100, st1000 и т. д.). У полимерных материалов температурно-временная зависимость прочности и деформации выражена сильнее, чем у металлов. При нагреве пластмасс наблюдается высокоэластическая обратимая деформация; начиная с некоторой более высокой температуры развивается необратимая деформация, связанная с переходом материала в вязкотекучее состояние. С ползучестью связано и др. важное механическое свойство материалов — склонность к релаксации напряжений, т. е. к постепенному падению напряжения в условиях, когда общая (упругая и пластическая) деформация сохраняет постоянную заданную величину (например, в затянутых болтах). Релаксация напряжений обусловлена увеличением доли пластической составляющей общей деформации и уменьшением её упругой части.

Если на металл действует нагрузка, периодически меняющаяся по какому-либо закону (например, синусоидальному), то с увеличением числа циклов N

нагрузки его прочность уменьшается (
рис. 4
, в) — металл «устаёт». Для конструкционной стали такое падение прочности наблюдается до
N
= (2—5) ×106 циклов. В соответствии с этим говорят о пределе усталости конструкционной стали, понимая под ним обычно амплитуду напряжения

ниже которой сталь при повторно-переменной нагрузке не разрушается. При |smin| = |smax| предел усталости обозначают символом s-1. Кривые усталости алюминиевых, титановых и магниевых сплавов обычно не имеют горизонтального участка, поэтому сопротивление усталости этих сплавов характеризуют т. н. ограниченными (соответствующими заданному N

) пределами усталости. Сопротивление усталости зависит также от частоты приложения нагрузки. Сопротивление материалов в условиях низкой частоты и высоких значений повторной нагрузки (медленная, или малоцикловая, усталость) не связано однозначно с пределами усталости. В отличие от статической нагрузки, при повторно-переменных нагрузках всегда проявляется чувствительность к надрезу, т. е. предел усталости при наличии надреза ниже предела усталости гладкого образца. Для удобства чувствительность к надрезу при усталости выражают отношением

характеризует асимметрию цикла). В процессе уставания можно выделить период, предшествующий образованию очага усталостного разрушения, и следующий за ним, иногда довольно длительный, период развития трещины усталости. Чем медленнее развивается трещина, тем надёжнее работает материал в конструкции. Скорость развития трещины усталости dl/dN

связывают с коэффициентом интенсивности напряжений степенной функцией:

Различают сопротивление термической усталости, когда появляющиеся в материале напряжения обусловлены тем, что в силу тех или иных причин, например из-за формы детали или условий её закрепления, возникающие при циклическом изменении температуры тепловые перемещения не могут быть реализованы. Сопротивление термической усталости зависит и от многих других свойств материала — коэффициентов линейного расширения и температуропроводности, модуля упругости, предела упругости и др.

Лит.:

Давиденков Н. Н., Динамические испытания металлов, 2 изд., Л. — М., 1936; Ратнер С. И., Разрушение при повторных нагрузках, М., 1959; Серенсен С. В., Когаев В. П., Шнейдерович Р. М., Несущая способность и расчеты деталей машин на прочность, 2 изд., М., 1963; Прикладные вопросы вязкости разрушения, пер. с англ., М., 1968; Фридман Я. Б., Механические свойства металлов, 3 изд., М., 1974; Методы испытания, контроля и исследования машиностроительных материалов, под ред. А. Т. Туманова, т. 2, М., 1974.

С. И. Кишкина.

Оглавление БСЭ