Основные свойства металлов

 

Все свойства металлов делятся на четыре группы:

физические – цвет, плотность, температура плавления, тип кристаллической решетки, полиморфизм (аллотропия), электро- и теплопроводность, магнетизм и т. п.;

химические – окисляемость, растворимость, коррозионная стойкость и т. п.;

технологические (характеризуют обрабатываемость металла) – свариваемость, штампуемость, жидкотекучесть, усадка, обрабатываемость резанием и т. п.;

механические (определяют поведение металла под нагрузкой) –прочность, пластичность, твердость, упругость, жесткость, вязкость.

Методы испытания механических свойств металлов в зависимости от характера действия нагрузки делятся на три группы:

Статические (нагрузка возрастает медленно (плавно);

Динамические (нагрузка возрастает с большой скоростью (мгновенно), например при ударе);

Циклические при повторно-переменных нагрузках (нагрузка многократно изменяется по величине и знаку (испытания на усталость).

 

1.1. Механические свойства металлов при статическом нагружении

В результате механических испытаний определяют следующие характеристики металлов: прочность, пластичность, твердость, упругость, жесткость и др.

Прочность – свойство металла сопротивляться пластической деформации и разрушению под действием внешних сил. В зависимости от способа статического нагружения различают прочность при растяжении, сжатии, изгибе.

Испытания металла на растяжение

 

Для испытаний применяют специальные цилиндрические или плоские образцы. Расчетную длину образца принимают равной десяти- или пятикратному его диаметру. Образец закрепляют в испытательной машине и нагружают. По результатам испытаний вычерчивают диаграмму растяжения.

На диаграмме растяжения пластичных металлов (рис. 1) можно выделить три участка: ОА – прямолинейный, соответствующий упругой деформации; АВ – криволинейный, соответствующий упругопластической деформации при возрастании нагрузки; ВС – соответствующий упругопластической деформации при снижении нагрузки. В точке С происходит разрушение образца с разделением его на две части.

От точки О (начала деформации) до точки А образец деформируется пропорционально приложенной нагрузке, поэтому участок ОА – прямая линия.

 

 

Рис. 1. Диаграмма растяжения пластичных металлов:

а – с площадкой текучести; б – без площадки текучести

 

Максимальное напряжение, не превышающее предела пропорциональности, практически вызывает только упругую деформацию, поэтому его часто называют пределом упругости.

При испытании пластичных металлов на кривой растяжения образуется площадка АА’ (рис. 1, а). В этом случае напряжение, соответствующее площадке текучести, называют физическим пределом текучести .

Физический предел текучести – это наименьшее напряжение, при котором металл деформируется (течет) без заметного изменения нагрузки.

Напряжение, вызывающее остаточную деформацию, равную 0,2 % от первоначальной длины образца, называют условным пределом текучести и обозначают .

Участок А’В соответствует дальнейшему повышению нагрузки и более значительной пластической деформации во всем объеме металла образца. Напряжение в точке В, соответствующее наибольшей нагрузке, предшествующей разрушению образца, называют временным сопротивлением, или пределом прочности при растяжении . Эта характеристика статической прочности определяется по формуле, МПа, МН/м² (кгс/мм²):

 

,

(1)

 

где – наибольшая нагрузка (напряжение), Н (кгс);

– _{начальная площадь поперечного сечения образца,} м² (мм²).

У пластичных металлов деформация, начиная с напряжения , сосредоточивается (локализуется) в одном участке образца, где появляется сужение, так называемая шейка. В результате развития скольжения в шейке образуется множество вакансий и дислокаций, возникают зародышевые несплошности, укрупнение которых приводит к возникновению пор. Сливаясь, поры образуют трещину, которая распространяется в поперечном направлении растяжению, и образец разрушается (точка С). Кривая растяжения образца без площадки текучести приведена на рис 1, б.

1.3. Пластичность металлов

Пластичность – свойство металла пластически деформироваться, не разрушаясь под действием внешних сил. Это одно из важных механических

свойств металла, которое в сочетании с высокой прочностью делает его основным конструкционным материалом. Для определения пластичности образцы и оборудование не требуются. Показатели (характеристики) пластичности – относительные удлинение (дельта) и сужение (кси).

Относительным удлинением называется отношение абсолютного удлинения, т. е. приращение расчетной длины образца после разрыва , к его первоначальной расчетной длине , мм, выраженное в процентах:

%

(2)

где – длина образца после разрыва, мм.

Относительным сужением называется отношение абсолютного сужения, т. е. уменьшение площади поперечного сечения образца после разрыва , к первоначальной площади его поперечного сечения мм², выраженное в процентах:

%,

(3)

где – площадь поперечного сечения образца после разрыва, мм²_.

 

1.4. Твердость металлов

Твердость – свойство металла сопротивляться внедрению в него другого более твердого тела. Для определения твердости не требуется изготовления специальных образцов, испытания проводятся без разрушения металла.

Твердость металла определяют прямыми и косвенными методами: вдавливанием, царапанием, упругой отдачей, магнитным.

При прямых методах в металл вдавливают твердый наконечник (индентор) различной формы (шарик, конус, пирамида) из закаленной стали, алмаза или твердого сплава. После снятия нагрузки на индентор в металле остается отпечаток, который и характеризует твердость.

Метод Бринелля. В плоскую поверхность металла вдавливается стальной закаленный шарик диаметра 10 мм (рис. 2). После снятия нагрузки в металле остается отпечаток (лунка). Диаметр отпечатка d измеряют специальным микроскопом с точностью 0,05 мм. На практике пользуются специальной таблицей, в которой диаметру отпечатка d соответствует определенное число твердости НВ.

Диаметр шарика D и нагрузку P устанавливают в зависимости от твердости и толщины испытуемого металла. Например, для стали и чугуна нагрузка Р = 3000 кг; D = 10 мм. Твердость технически чистого железа по Бринеллю равна 80 – 90 единиц.

 

 

а б

 

Рис. 2. Схема испытания твердости:

а – по Бринеллю; б – по Роквеллу

 

Метод Бринелля не рекомендуется применять для металлов с твердостью более НВ 450, так как шарик может деформироваться и в результате получится искаженный результат. Этот метод используется в основном для измерения твердости заготовок и полуфабрикатов из неупрочненного металла.

Метод Роквелла. Твердость определяют по глубине отпечатка. Индентором служит стальной закаленный шарик диаметра 1,58 мм для мягких металлов или алмазный конус с углом при вершине 120º для твердых и сверхтвердых (более HRC 70) металлов (рис. 2, б).

Шарик и конус вдавливаются в металл под действием двух нагрузок – предварительной и основной. Общая нагрузка равна их сумме. Предварительная нагрузка принимается одинаковой для всех металлов (10 кг). Перед началом испытания большая стрелка твердомера выставляется на «0» шкалы индикатора, и затем включается основная нагрузка – большая стрелка перемещается по шкале индикатора и показывает значение твердости.

При вдавливании стального шарика нагрузка составляет 100 кг, отсчет твердости производится по внутренней (красной) шкале индикатора, твердость обозначают НRВ. При вдавливании алмазного конуса твердость определяется по показанию стрелки по внешней (черной) шкале индикатора. Для твердых металлов основная нагрузка составляет 150 кг. Это основной метод измерения твердости закаленных сталей. Обозначение твердости – НRC.

Для очень твердых, а также тонких материалов нагрузка принимается равной 60 кг. Обозначение твердости – НRА.

Метод определения твердости по Роквеллу позволяет испытывать мягкие и твердые металлы, при этом отпечатки от шарика или конуса очень малы, поэтому этим методом можно измерять твердость и готовых деталей. Поверхность для испытания должна быть шлифованной. Измерения выполняются быстро (в течение 30 – 60 с), не требуется никаких вычислений, так как значение твердости снимается по шкале индикатора твердомера.

Метод Виккерса. В испытуемую поверхность (шлифованную или полированную) вдавливается четырехгранная алмазная пирамида под нагрузкой 5, 10, 20, 30, 50 или 100 кг. В металле остается квадратный отпечаток. Специальным микроскопом твердомера измеряют диагональ отпечатка (рис. 3).

Рис. 3. Схема испытания твердости по Виккерсу

Зная нагрузку на пирамиду и диагональ отпечатка, по таблицам определяют твердость металла НV. Метод универсальный. Его можно использовать для определения твердости деталей малой толщины и тонких поверхностных слоев большой твердости (после азотирования, нитроциментации и т. п.).

Чем тоньше металл, тем меньше должна быть нагрузка на пирамиду, однако при большой нагрузке результат получается точнее.

1.5. Прочность металлов при динамическом нагружении

(испытания на ударную вязкость – на удар)

Для того чтобы определить поведение металла при ударных нагрузках и одновременно оценить его склонность к хрупкому разрушению, проводят испытания на ударный изгиб. И в результате определяют ударную вязкость – характеристику из динамической прочности.

Для определения ударной вязкости применяют образцы (размером 10 × 10 × 55 мм) с U- или Y-образным надрезом. Надрез является местом будущего разрушения. Испытания проводят на маятниковом копре (рис. 4). Маятник, падая с определенной высоты, разрушает образец, при этом определяется работа удара в мегаджоулях (МДж), джоулях (Дж) или в килограмм-секундах на метр (кгс·м), затраченная на излом образца.

Ударная вязкость обозначается КС (старое обозначение – α_н), МДж /м² (α;_н = 1 кгс · м/см² = 0,1 Дж/м²), и подсчитывается как отношение работы К к площади поперечного сечения образца в месте надреза F:

 

КС (α;н) = К / F.

(4)

 

Если в испытаниях берется образец с U-образным надрезом, то в обозначение вязкости добавляется буква U (КСU), а если с Y-образным – буква Y (КСY).

 

 

Рис. 4. Схема испытаний на ударную вязкость

 

Определение ударной вязкости является наиболее простым и чувствительным способом оценки склонности металлов, имеющих объемно центрированную кубическую решетку, к хрупкости при работе в условиях низких температур, называемой хладноломкостью.

Практически хладноломкость определяют при испытании на удар серии образцов при нескольких понижающихся значениях температуры (от комнатной до – 100ºС).

Результаты испытаний наносят на график в координатах «ударная вязкость – температура испытания». Температура, при которой происходит падение ударной вязкости (металл переходит от вязкого разрушения к хрупкому), называется критической температурой хрупкости, или порогом хладноломкости.

 

1.6. Прочность металлов при циклическом нагружении

(испытания на усталость)

 

Многие детали (валы, рессоры, рельсы) в процессе работы подвергаются повторно-переменным нагрузкам. Разрушение таких деталей при эксплуатации происходит в результате циклического нагружения при напряжении, значительно меньшем временного сопротивления. Процесс постепенного накопления напряжения в металле при действии циклических нагрузок, приводящий к образованию трещин и разрушению, называется усталостью. Усталость металла – это процесс зарождения и развития трещины под действием многократно повторяющихся циклических нагрузок. Свойство металла выдерживать большое число циклов переменных напряжений, т. е. противостоять усталости, называется выносливостью, или циклической (усталостной) прочностью.

Усталостная прочность – способность металла сопротивляться упругой и пластической деформации при переменных нагрузках, она характеризуется наибольшим напряжением, которое выдерживает металл при бесконечно большом числе циклов нагружения, т. е. не разрушается. Такое напряжение называется пределом усталости, или пределом выносливости . Например, для углеродистой конструкционной стали = (0,4 – 0,5) .

Значение предела выносливости зависит от целого ряда факторов: степени загрязненности металла неметаллическими включениями; макро- и микроструктуры металла; состояния поверхности, формы и размеров детали и др.

Разрушение металлов при усталости отличается от разрушения при однократных нагрузках особым видом излома. При знакопеременной нагрузке происходит постепенное накопление напряжения, обусловленного движением дислокаций. Поверхность детали, как наиболее нагруженная часть, претерпевает микродеформацию, и в наклепанной (упрочненной деформацией) зоне возникают микротрещины. Из множества микротрещин развитие получает только та, которая имеет наиболее острую вершину и пропорционально расположена по отношению к действующим напряжениям.

Пораженная трещиной часть сечения детали не несет нагрузки, и нагрузка перераспределяется на оставшуюся часть, которая непрерывно уменьшается до тех пор, пока не произойдет мгновенного разрушения. Таким образом, для усталостного излома (см. рис. 5) характерно (как минимум) наличие зоны прогрессивно растущей трещины 1 и зоны долома 2.

Важной характеристикой конструктивной прочности, характеризующей надежность металла, является живучесть при циклическом нагружении. Живучесть – это способность металла работать в поврежденном состоянии после образования трещины, она измеряется числом циклов до разрушения или скоростью развития трещины усталости (СРТУ) при данном напряжении.

 

 

Рис. 5. Излом усталости

 

Живучесть металла является самостоятельным свойством, которое не зависит от других свойств металла, и имеет важное значение для оценки работоспособности деталей, целостность которых контролируется различными методами дефектоскопии. Чем меньше СРТУ, тем легче обнаружить трещину.

Для повышения усталостной прочности деталей желательно в поверхностных слоях металла создавать напряжение сжатия методами поверхностного упрочнения (механическими, термическими, химико-термическими).