1.4. Свойства материалов и методы их испытаний

Свойство – количественная или качественная характеристика материала, определяющая его общность или различие с другими материалами. Механические свойства определяют поведение материала при деформации и разрушении под действием внешних нагрузок. В зависимости от условий нагружения механические свойства могут определяться при статическом (нагрузка возрастает медленно и плавно), динамическом (ударный характер нагрузки) и циклическом нагружении (нагрузка многократно меняется по величине или направлению).

Испытания на растяжение. При испытании материалов на растяжение получают характеристики прочности и пластичности (ГОСТ 1497-84). Прочность – способность материала сопротивляться деформациям и разрушению. Пластичность – способность материала к пластической деформации без разрушения.

Д еформацию растяжения характеризуют абсолютным удлинением или абсолютной деформацией l, равной разности длин образца после растяжения l_k и исходной l₀: l = l_k – l₀. В процессе испытания регистрируется первичная диаграмма растяжения в координатах «нагрузка P – абсолютное удлинение l» (рис. 1.23). Чтобы исключить влияние размеров и формы деталей, испытания проводят на стандартных образцах, имеющих в поперечном сечении форму круга или прямоугольника. Абсолютные величины пересчитывают в относительные: нагрузку – в механическое напряжение ; абсолютную деформацию – в относительную , где F₀ – площадь поперечного сечения образца до деформации. Построенная диаграмма называется диаграммой условных напряжений, поскольку площадь образца в процессе испытания изменяется. На диаграмме растяжения выделяют участки деформации: упругой до нагрузки P_упр; пластической от P_упр до P_max; разрушения от P_max до P_к.

Прямолинейный участок диаграммы ОА указывает на пропорциональную зависимость между нагрузкой Р и удлинением l. Тангенс угла наклона к оси абсцисс характеризует модуль упругости Юнга: . Через модуль Юнга можно рассчитать скорость звука: , где ρ – плотность вещества. Кристаллы кубической сингонии не являются изотропными: для ГЦК кристаллов модуль Юнга увеличивается при движении от [100] к [111], для ОЦК кристаллов – уменьшается.

Деформирование выше P_упр идет при возрастающей нагрузке до P_max, так как металл упрочняется. Наклеп продолжает увеличиваться, хотя растягивающая нагрузка уменьшается от P_max до P_к. Это связано с появлением в образце местного утончения – шейки, в которой развивается основная пластическая деформация. Растягивающие напряжения в шейке растут, пока при нагрузке P_к не происходит разрушение.

Пределы упругости _упр, текучести _т и прочности _в определяются как отношение соответствующей нагрузки к исходной площади поперечного сечения образца F₀.

Теоретический предел упругости _упр – максимальное напряжение P_упр, до которого образец получает только упругую деформацию. Определить его трудно, поэтому используют условный предел упругости – напряжение, вызывающее остаточную деформацию 0,005–0,05 % от начальной длины образца, которую указывают в обозначении.

Предел текучести – максимальное напряжение, при котором еще не появляется пластическая деформация. Физический предел текучести – напряжение _т, вызывающее увеличение деформации образца при постоянной нагрузке. На диаграмме растяжения появляется площадка текучести. У большинства сплавов ее нет. Условный предел текучести _0,2 – напряжение, вызывающее пластическую деформацию 0,2 %.

Сплавы подразделяют по прочности в зависимости от величины предела текучести _0,2 (табл. 1.1).

Таблица 1.1

Классификация сплавов по прочности

Класс материалов	0,2, МПа
	Сплавы железа (стали)	Сплавы алюминия	Сплавы титана
Низкой прочности Средней прочности Высокой прочности	650 650-1300 1300-1400	200 200-400 400	400 400-800 800

Предел прочности (временное сопротивление разрыву) – напряжение, соответствующее максимальной нагрузке, которую выдерживает образец до разрушения: .

Пластичность материала характеризуется относительным удлинением  и относительным сужением :

, ,

где F_к – площадь поперечного сечения в месте разрыва. Принято считать металл «надежным» при   15 % и   45 %.

Испытания на изгиб. При испытании на изгиб в образце возникают растягивающие и сжимающие напряжения. По этой причине изгиб – более мягкий способ нагружения, чем растяжение. На изгиб испытывают малопластичные материалы: чугуны, инструментальные стали, стали после поверхностного упрочнения, керамику. Испытания проводят на образцах большой длины цилиндрической или прямоугольной формы, которые устанавливают на две опоры. Используют две схемы нагружения: сосредоточенной силой (применяют чаще) и двумя симметричными силами (испытания на чистый изгиб). Определяемыми характеристиками служат предел прочности и стрела прогиба.

Испытание на сжатие. Для чугуна, литых алюминиевых сплавов и прочих хрупких материалов применяют испытания на сжатие. Эти материалы разрушаются при растяжении путем отрыва, а при сжатии – срезом. При испытании определяют предел прочности на сжатие.

Твердость – сопротивление материала проникновению стандартного тела (индентора), не деформирующегося при испытании. Чем больше сопротивление пластической деформации, тем выше твердость.

Метод Бринелля (см. рис. 1.24,а). Индентор – стальной закаленный шарик. Твердость определяется как отношение приложенной нагрузки к площади сферической поверхности отпечатка:

,

где Р – нагрузка на шарик (кгс); d – диаметр отпечатка (мм). Диаметр шарика D и величину нагрузки P выбирают в зависимости от твердости материала. Число твердости тем выше, чем меньше диаметр отпечатка. Отклонение от линейной зависимости между Р и d наблюдается, когда шарик вдавливается с малой или очень большой нагрузкой и оставляет отпечаток небольшого диаметра или с диаметром, близким к диаметру шарика. Наряду с пластической деформацией материала имеет место упругая деформация вдавливаемого шарика. Величина этой деформации искажает результаты измерений и возрастает при измерении твердых материалов. Поэтому испытания ограничивают измерением металлов небольшой и средней твердости (не более 450 НВ).

Д ля получения одинаковых чисел твердости при испытании шариками разных диаметров необходимо, чтобы угол  оставался постоянным (рис. 1.24,а), т. е. отношение нагрузки к квадратам диаметров шариков должно оставаться постоянным: . Это отношение различно для материалов разной твердости (МПа): 294 (сталь, чугун, высокопрочные сплавы); 98 (алюминий, медь, никель и их сплавы); 49 (магний и его сплавы); 24,5 (подшипниковые сплавы); 9,8 (олово, свинец). При D = 10 мм, Р = 29400 Н и времени выдержки под нагрузкой 10 с твердость по Бринеллю обозначается символом НВ с указанием числа твердости. Размерность (кгс/мм² или МПа.) не ставится, например 200 НВ. При использовании шариков других диаметров указывают дополнительно три индекса. Например, 180 НВ_2,5/187,5/30 обозначает, что при D = 2,5 мм и времени выдержки 30 с под нагрузкой Р=187,5 кгс (1839 Н) число твердости по Бринеллю равно 180.

Предел прочности и число твердости по Бринеллю связаны соотношением: для стали _в = 0,34 НВ; для медных сплавов _в = 0,53 НВ; для алюминиевых сплавов _в = 0,37 НВ.

Метод Роквелла. Предварительная нагрузка Р₀ = 98,07 Н (10 кгс), под действием которой индентор (алмазный конус или стальной закаленный шарик) вдавливается на глубину h₀, необходима для исключения влияния упругой деформации и шероховатости поверхности на результаты измерений (рис. 1.24,в). Затем прикладывается основная нагрузка Р₁, под действием которой индентор вдавливается на глубину h₁. После этого снимают нагрузку Р₁ но оставляют предварительную нагрузку Р₀. Под действием упругой деформации индентор поднимается вверх, но не достигает уровня h₀. Разность (h – h₀) зависит от твердости материала; чем тверже материал, тем меньше разность. Глубина отпечатка измеряется индикатором часового типа с ценой деления 0,002 мм.

Для испытания мягких материалов используется стальной шарик диаметром 1,588 мм и нагрузка Р₁ = 980,7 Н (100 кгс). Твердость отсчитывают по шкале «В» (от 25 до 100 единиц) и обозначают «HRB».

Для металлов с высокой твердостью применяют алмазный конус с углом при вершине 120° и нагрузку Р₁ = 1471 Н (150 кгс). Твердость отсчитывают по шкале «С» (20–70 единиц), обозначают «HRC».

При испытании очень твердых материалов, поверхностных слоев используют алмазный конус и нагрузку Р₁ = 588,4 Н (60 кгс), твердость отсчитывают по шкале «С» (70–85 единиц), но обозначают «HRA».

Метод Виккерса. Индентор – алмазная четырехгранная пирамида с углом при вершине  = 136° (рис. 1.24,б). Диагональ отпечатка d₁ измеряют при помощи микроскопа, установленного на приборе. Нагрузка Р применяется от 10 до 1000 Н, нагрузка ниже 50 Н используется для определения твердости тонких изделий и поверхностных слоев металла. Число твердости обозначают символом «HV» и определяют по формуле

с указанием нагрузки P и времени выдержки индентора под нагрузкой, причем размерность твердости (кгс/мм²) не ставится. Продолжительность выдержки для сталей – 10–15 с, цветных металлов – 30 с. Например, 420 HV_10/15 означает, что число твердости 420 получено при нагрузке P = 10 кгс, приложенной в течение 15 с.

Микротвердость определяют вдавливанием в поверхность алмазной пирамиды при небольших нагрузках (0,01–2 Н). Размер диагонали отпечатка индентора определяют с помощью микроскопа. По формуле (как для метода Виккерса) определяют число твердости.

Таблица 1.2

Относительная твердость минералов

Твердость	Стандартный минерал	Значение микротвердости (МПа)	Возможная замена
1	Тальк	24	Карандаш
2	Гипс	360	Алюминиевая проволока
3	Кальцит	1090	Медная монета
4	Флюорит	1890	Железная проволока
5	Апатит	5360	Стекло
6	Полевой шпат	7950	Лезвие ножа
7	Кварц	11200	Напильник
8	Топаз	14270	–
9	Корунд	20600	–
10	Алмаз	100600	–

Метод царапания (по Моосу). Шкала относительной твердости минералов состоит из 10 эталонов твердости (см. табл. 1.2). Видно, насколько алмаз тверже наиболее твердых материалов. Если эталон с твердостью 5 царапает образец, который царапает эталон с твердостью 4, то относительная твердость образца – 4,5.

Динамический метод (по Шору). Шарик бросают на поверхность материала с заданной высоты, он отскакивает на определенную величину. Чем больше величина отскока, тем выше упругие свойства.

У дарная вязкость характеризует способность материала сопротивляться хрупкому разрушению. Испытания проводят на образцах определенной формы и размеров. Ударную вязкость обозначают буквами KC. Третий символ показывает вид надреза на образце: острый (V), с радиусом закругления (U), наведенная трещина (Т). Образец устанавливают на маятниковом копре (рис. 1.19) надрезом в сторону, противоположную удару маятника, который поднимают на высоту H. На разрушение образца затрачивается работа

A = P(H – h),

где P – вес маятника, h – высота подъема маятника после удара. Ударная вязкость определяется как отношение работы разрушения к площади поперечного сечения F в месте надреза (Дж/м²).

Значение КС зависит от температуры. Для многих конструкционных материалов существует пороговая температура, при которой характер разрушения меняется скачкообразно (порог хладноломкости). Ниже данной температуры имеет место хрупкое разрушение (малая работа разрушения, склонность к образованию трещин), выше – вязкое разрушение (трещины распространяются с трудом). Для определения порога хладноломкости образцы испытывают при различных температурах и строят кривые в координатах «ударная вязкость – температура».

Хладноломкость – склонность металла переходить в хрупкое состояние с понижением температуры. Хладоломкими являются железо, вольфрам, цинк и другие металлы, имеющие ОЦК и ГПУ решетки.