Второй учебный вопрос. Механические свойства металлов и сплавов.

Механические свойства характеризуют поведение металлов при воздействии внешней нагрузки. Внешняя нагрузка создает в металле напряжения, равные отношению нагрузки к площади сечения испытуемого образца.

Напряжения вызывают деформацию  изменение формы и размеров металлического образца  упругую, исчезающую после снятия нагрузки, или пластическую, остающуюся после снятия нагрузки. При чрезмерной пластической деформации происходит разрушение металла.

Способность металла сопротивляться деформации и разрушению характеризует его прочность. Прочность – способность материала противостоять деформациям и разрушению. Прочность металлов определяют на специальных образцах их растяжением, сжатием, изгибом или кручением. Чаще прочность металла характеризуют пределом прочности при растяжении ( временным сопротивлением разрыву) _В, МПа:

,

где Р_в  максимальная нагрузка, которую выдержал образец перед разрушением, Н;

F₀  начальное сечение образца, м².

Характеристики прочности определяют в результате статического испытания специальных образцов на разрывной машине. В результате таких испытаний записывается диаграмма нагрузка – удлинение.

* До точки а деформация пропорциональна нагрузке и называется пределом пропорциональности.

* Нагрузка, отвечающая точке В соответствует пределу упругости, т.е. нагрузке, до которой материал получает только упругую деформацию.

* Участок c- d характеризует пластическую деформацию, при которой удлинение образца происходит при постоянной нагрузке и соответствует пределу текучести.

* Максимальная нагрузка, соответствующая точке Е определяет временное сопротивление разрыву или предел прочности на разрыв

* Нагрузка, которую выдерживает образец в момент разрушения называется истинным сопротивлением разрушению.

Одновременно с прочностью при растяжении определяют и пластичность  способность металла получать остаточное изменение формы и размеров без разрушения. Пластичность обычно оценивают относительным удлинением  или относительным сужением :

,

где l_к  длина образца после разрыва, мм;

l₀  первоначальная длина образца, мм.

 100%,

где F₀  начальная площадь поперечного сечения образца, мм²;

F_к  конечная площадь поперечного сечения образца в шейке

после разрыва, мм².

Прочность при ударных нагрузках определяют разрушением образцов ударом массивного маятника и характеризуют ударной вязкостью KCU  работа (А, МДж), затраченная при динамическом разрушении надрезанного образца, отнесенная к площади поперечного сечения F, м², в месте надреза:

, МДж/м²

Важной характеристикой металлов является твердость  способность сопротивляться внедрению в них другого более твердого тела. Существует ряд методов определения твердости металлов, отличающихся размером и формой внедряемого наконечника, нагрузкой и т.д. Чаще для определения твердости применяют метод Бринелля. По этому методу в испытуемый металл вдавливают стальной закаленный шарик при заданной нагрузке и определяют числа твердости НВ из отношения приложенной нагрузки Р, Н, к поверхности полученного отпечатка F_от, мм²:

.

Метод Бринелля используют для материалов с твердостью ниже НВ450. Метод непригоден для измерения твердости тонких листов, лент, изделий с твердым поверхностным слоем.

Для испытания материалов с твердостью более НВ450 и закаленных сталей используют метод Роквелла. Сущность метода заключается в статическом вдавливании в образец наконечника под определенной нагрузкой. Наконечником для материалов до НВ230 служит стальной закаленный шарик D = 1,59 мм, а для материалов более высокой твердости  алмазный конус с углом при вершине 180. Значение твердости определяют по глубине (мм) остаточного вдавливания наконечника и измеряют в условных единицах. В соответствии с условиями испытаний (тип наконечника, нагрузка) и шкалой прибора (В, С, А) измерения числа твердости обозначают 30HRB, 60HRC, 80HRA и т.д.

Твердость по Виккерсу определяют путем статического вдавливания в поверхность образца алмазной четырехгранной пирамидки с углом  = 136 между противоположными гранями. Число твердости определяют так же, как и в способе Бринелля: отношением нагрузки Р к площади поверхности отпечатка F:

где d  величина диагонали отпечатка. Р = 50…1000 Н (5100 кГс).

Метод Виккерса дает возможность измерять твердость мягких, а также особо твердых материалов, измерять твердость очень тонких изделий и твердость поверхностных слоев.