Доатегорія:

Слюсарно-інструментальні роботи

Міцність та твердість металу

Метали, що застосовуються в машинобудуванні та інструментальному виробництві, мають різноманітні цінні властивості, але найголовніші з них - міцність і твердість.

Розповімо коротко про ці властивості.

Міцність, як відомо, є здатність матеріалу чинити опір руйнуванню. Якщо метал не рветься під час розтягу і не руйнується при ударі, кажуть, що метал міцний. Але в техніці не можна покладатися тільки на загальне враження про те, чи міцний або недостатньо міцний метал, з яким мають справу. Міцність матеріалу повинна бути точно виміряна, причому повинні бути окремо визначені його здатність чинити опір розриву та його здатність, протистояти ударним навантаженням. Щоб визначити міцність металу, виготовлені з нього зразки розтягуються на спеціальних машинах до тих пір, поки вони не розірвуться. Прослідкувавши при дії якої сили розірвався зразок та вивчивши зміну його розмірів у місці розриву, можна отримати повну та точну характеристику міцності металу, з якого зразок виготовлений.

Потім, розділивши величину сили, що розірвала зразок, виражену в кілограмах, на площу поперечного перерізу зразка, виражену в квадратних міліметрах, дізнаються ту напругу, яку витримав зразок, тобто міцність матеріалу на розрив. Величина цієї сили, віднесена до одиниці площі перерізу і виміряна тому вже не кг, а кг/мм2, називається межею міцності при розтягуванні і позначається у всій технічній літературі, кресленнях і технологічних документах буквою зв (сигма бе).

Знання величини межі міцності при розтягуванні з8 того чи іншого металу дозволяє не тільки розрахувати виріб на міцність, але й підібрати необхідні режими різання при обробці. Це має значення тому, що міцність сталей дуже різна. Приміром, Ст. 1 має = 3240 кг/мм2, а деяких високолегованих сталей доходить до 200 кг/мм2.

Вивчаючи далі розірваний зразок, можна виявити, що його перетин у місці розриву дещо звузився, а загальна довжина збільшилася. Це говорить про те, наскільки цей матеріал здатний протистояти руйнуванню і змінювати свою форму, не порушуючи молекулярного зв'язку між його частинками, тобто бути пластичним.

Якщо ж тепер підрахувати, наскільки зменшилася площа поперечного перерізу зразка, а потім цю величину розділити на його початкову площу, то вийде результат, виражений в. відсотках і називається відносним стиском поперечного перерізу. Відносне стиснення поперечного перерізу позначається буквою ф (псі) та характеризує в'язкість матеріалу. Величина у м'яких низьковуглецевих сталей доходить до 60%, у найменш в'язких - до 30%.

Вимірювання збільшеної довжини зразка характеризує відносне подовження та позначається буквою 8 (дельта). Чим більше відносне подовження, тим більша пластичність металу. За величиною відносного подовження 5 та відносного стиснення<|>, Непрямо, можна судити і про в'язкість металу. Під в'язкістю металу розуміють властивість матеріалу протилежне крихкості.

Друга головна властивість металів – це твердість. Чим вище твердість, тим деталь довговічніша, тим повільніше вона зношується. Ріжучий інструмент тільки тому знімає стружку з деталі, що його твердість набагато вище твердості оброблюваного матеріалу. Вже невелика зміна твердості суттєво позначається на експлуатаційних властивостях деталі та інструменту. Все це змушує виробничників старанно стежити за станом жорсткості деталі.

Твердість металу визначається вдавлюванням якого-небудь предмета в матеріал, що випробовується. По глибині вдавлювання судять, наскільки велика ця твердість. На цьому принципі працюють прилади для вимірювання твердості: прес Брінелля і прилади Роквелла.

За допомогою преса Брінелля твердість незагартованих сталей, а також чавуну вимірюється вдавлюванням у них сталевої кульки діаметром 10 мм із силою 3000 кг. Для інших матеріалів сила вдавлювання кульки змінюється: для міді, латуні та подібних до них вона становить 1000 кг, а для м'яких сплавів 250 кг. Прилад Рок-велла визначає твердість загартованих матеріалів вдавлюванням спеціального алмазного конуса. Результатом вимірювання, що характеризує величину твердості матеріалу, служать відповідні числа твердості: число твердості Брінеллю (Нв) і число твердості за Роквеллом (HR).

Число твердості за Брінель Я представляє результат від розподілу навантаження (в кг) на площу відбитка кульки, виражену в мм2. Щоб уникнути обчислень щодо числа Нв, користуються спеціальними таблицями, у яких можна визначити це число по діаметру отриманого відбитка. Найвища твердість, яка може бути випробувана на пресі, дорівнює: Ів = 450.

Прес Брінелля (рис. 15) діє в такий спосіб. Зачищена до одержання плоскої та рівної поверхні деталь встановлюється на кульову опору та маховиком, що обертає гвинт, піднімається до зіткнення з кулькою наконечника. Потім закривають гвинтом вихід для олії з циліндра в резервуар і створюють тиск на поршень та кульковий наконечник, діючи насосом. Приведений у дію насос нагнітає масло в циліндр із резервуара, створює тиск на поршень і одночасно передає його манометру та важелю з вантажами. Величина тиску відповідає вазі вантажів. Через деякий час відкривається гвинтель, частина масла з циліндра йде в резервуар і падає тиск до нуля. Після цього опускають гвинтом маховиком, звільняють деталь і за допомогою спеціальної лупи заміряють діаметр відбитка.

Рис. 1. Схематичне зображення гідравлічного пресаБрінелля.

Рис. 2. Схема дії пристрою Роквелла.

Процес випробування починається з підведення предмета до алмазного наконечника та докладання попереднього зусилля (10 кг). Це усідливий створюється пружиною, що знаходиться у втулці шпинделя приладу. Робочий важіль 6 діє шпиндель приладу, причому точка його опори перебуває в осі 7, а місце передачі сили наконечнику --на призмі. На цей важіль діє вантаж.

У неробочому положенні важіль спирається на сережку і тиск на шпиндель не передається. Під час випробування рукоятку звільняють і тоді важіль разом із сережкою та важелем опускається. Плавному опусканню всієї цієї системи сприяє масляний заспокоювач 8, що дозволяє регулювати швидкість докладання сили на предмет, що випробовується. Отримавши можливість переміщення, алмазний конус опускаючись, проникає в метал. Розмір цього переміщення передається важелем індикатору.

Однак, слід сказати, що далеко не всі деталі можна перевіряти твердість описаними приладами. Не можна, наприклад, с. їх допомогою визначати твердість на ріжучій кромці інструменту або на внутрішній поверхні якоїсь матриці. У подібних випадках вдаються до перевірки твердості за допомогою тарованих напилків.

На цьому можна закінчити опис двох, найважливіших властивостей сталі - її міцності та твердості. Однак ці властивості є непостійними. Вони можуть змінюватися із зміною структури сталі, тобто її будови. Що змушує змінюватися структуру стали?

§ 4. МЕХАНІЧНІ ВЛАСТИВОСТІ

Здатність металу чинити опір впливу зовнішніх сил характеризується механічними властивостями. Тому при виборі матеріалу для виготовлення деталей машин необхідно насамперед враховувати його механічні властивості: міцність, пружність, пластичність, ударну в'язкість, твердість та витривалість. Ці властивості визначають за результатами механічних випробувань, у яких метали піддають впливу зовнішніх сил (навантажень). Зовнішні сили можуть бути статичними, динамічними або циклічними (повторно-змінними). Навантаження викликає у твердому тілі напругу та деформацію.
Напруга- Величина навантаження, віднесена до одиниці площі поперечного перерізу випробуваного зразка. Деформація- Зміна форми і розмірів твердого тіла під впливом прикладених зовнішніх сил. Розрізняють деформації розтягування (стиснення), вигину, кручення, зрізу (рис. 8). Насправді матеріал може піддаватися одному або декількома видами деформації одночасно.

Рис. 8. Види деформацій:
а - стиск, б - розтяг, в - кручення, г - зріз, д - вигин

Рис. 9. Діаграма розтягування:
а - умовна діаграма в координатах Р-∆l, б - умовна діаграма напруг та діаграма істинної напруги

Для визначення міцності, пружності та пластичності метали у вигляді зразків круглої або плоскої форми випробовують на статичне розтягування (ГОСТ 1497-73). Випробування проводять на розривних машинах. В результаті випробувань одержують діаграму розтягування (рис. 9). По осі абсцис цієї діаграми відкладають значення деформації, а по осі ординат – навантаження, прикладені до зразка.
Міцність- здатність матеріалу чинити опір руйнуванню під впливом навантажень оцінюється межею міцності і межею плинності. Важливим показником міцності матеріалу є питома міцність - відношення межі міцності матеріалу до його щільності. Межа міцності σ в (тимчасовий опір) - це умовна напруга Па (Н/м 2), що відповідає найбільшому навантаженню, що передує руйнуванню зразка: σ = P max /F 0 , де P max - найбільше навантаження, Н; F 0 - Початкова площа поперечного перерізу робочої частини зразка, м 2 . Справжнє опір розриву S до - це напруга, що визначається ставленням навантаження Р к в момент розриву до площі мінімального поперечного перерізу зразка після розриву F до (S к = Р к / F к).
Межа плинності (фізичний) σ т - це найменша напруга (в МПа), при якому зразок деформується без помітного збільшення навантаження: σ т = Р т / F 0 де Р т - навантаження, при якій спостерігається майданчик текучості, Н.
Майданчик плинності мають в основному лише маловуглецеву сталь і латуні. Інші сплави майданчика плинності не мають. Для таких матеріалів визначають межу плинності (умовний), при якому залишкове подовження досягає 0,2% від розрахункової довжини зразка: 0,2 =Р 0,2 /F 0 .
Пружність- здатність матеріалу відновлювати початкову форму та розміри після припинення дії навантаження Р уп оцінюють межею пропорційності σ пц та межею пружності σ уп.
Межа пропорційностіσ пц - напруга (МПа), вище якого порушується пропорційність між напругою, що додається, і деформацією зразка σ пц =Р пц /F 0 .
Межа пружності(умовний) σ 0,05 - це умовна напруга в МПа, що відповідає навантаженню, при якій залишкова деформація вперше досягає 0,05% від розрахункової довжини зразка l0: σ 0,05 =P 0,05 /F 0 де P 0, 05 – навантаження межі пружності, Н.
Пластичність, тобто здатність матеріалу приймати нову формута розміри під дією зовнішніх сил, не руйнуючись, характеризується відносним подовженням та відносним звуженням.
Відносне подовження(після розриву) δ - це відношення збільшення (l до -l 0) розрахункової довжини зразка після розриву до його початкової розрахункової довжини l 0 виражене у відсотках: δ=[(l до -l 0)/l 0 ]100%.
Відносне звуження(після розриву) φ - це відношення різниці початкової та мінімальної площ (F 0 -F к) поперечного перерізу зразка після розриву до початкової площі F 0 поперечного перерізу, виражене у відсотках: φ=[(F 0 -F к)/F 0 ]100%.
Чим більше значення відносного подовження та звуження для матеріалу, тим більш пластичний. У крихких матеріалівці значення близькі до нуля. Крихкість конструкційного матеріалу є негативною властивістю.
Ударна в'язкість, Т. е. здатність матеріалу опиратися динамічним навантаженням, визначається як відношення витраченої на злам зразка роботи W (МДж) до площі його поперечного перерізу F (м 2) в місці надрізу КС=W/F.
Для випробування (ГОСТ 9454-78) виготовляють спеціальні стандартні зразки, що мають форму квадратних брусків з надрізом. Випробовують зразок на маятникових копрах. Вільно падаючий маятник копра б'є по зразку з боку, протилежному надрізу. У цьому фіксується робота.
Визначення ударної в'язкості особливо важливе для деяких металів, що працюють при мінусових температурах і виявляють схильність до холодноламкості. Чим нижчий поріг холодноламкості, тобто температура, при якій в'язке руйнування матеріалу переходить у крихке, і більший запас в'язкості матеріалу, тим більша ударна в'язкість матеріалу. Прохолодність - зниження ударної в'язкості при низьких температурах.
Циклічна в'язкість- це здатність матеріалів поглинати енергію при повторних змінних навантаженнях. Матеріали з високою циклічною в'язкістю швидко гасять вібрації, які часто спричиняють передчасне руйнування. Наприклад, чавун, що має високу циклічну в'язкість, у деяких випадках (для станин та інших корпусних деталей) є ціннішим матеріалом, ніж вуглецева сталь.
Твердістюназивають здатність матеріалу чинити опір проникненню в нього іншого, твердішого тіла. Високу твердість повинні мати металорізальні інструменти: різці, свердла, фрези, а також поверхневозміцнені деталі. Твердість металу визначають способами Брінелля, Роквелла та Віккерса (рис. 10).
Спосіб Брінелля(ГОСТ 9012-59) заснований на тому, що в плоску поверхню металу вдавлюють під постійним навантаженням сталева загартована кулька. Діаметр кульки і величину навантаження встановлюють залежно від твердості і товщини випробуваного металу. Твердість по Брінеллю визначають на твердомір ТШ (твердомір кульковий). Випробування проводять в такий спосіб. На поверхні зразка, твердість якого потрібно виміряти, напилком або абразивним колом зачищають майданчик розміром 3-5 см 2 . Зразок ставлять на столик приладу і піднімають до зіткнення зі сталевою кулькою, яка укріплена в шпинделі приладу. Вантаж опускається і вдавлює кульку в зразок. На поверхні металу утворюється відбиток. Чим більший відбиток, тим метал м'якший.
За міру твердості НВ приймають відношення навантаження до площі поверхні відбитка діаметром d і глибиною t, який утворюється при втисканні силою Р кульки діаметра D (див. рис. 10 а).

Рис. 10. Визначення твердості металу методами Брінелля (а), Роквелла (б) та Віккерса (в)

Числове значення твердості визначають так: вимірюють діаметр відбитка за допомогою оптичної лупи (з поділами) і за отриманим значенням знаходять у таблиці, яка додається до ГОСТу, відповідне число твердості.
Перевага способу Брінелля полягає в простоті випробування та точності одержуваних результатів. Способом Брінелля не рекомендується вимірювати твердість матеріалів з НВ>450, наприклад, загартованої сталі, так як при вимірюванні кулька деформується і показання спотворюються.
Для випробування твердих матеріалів застосовують спосіб Роквелла(ГОСТ 9013-59). У зразок вдавлюють алмазний конус з кутом при вершині 120° або сталевий загартований шар діаметром 1,59 мм. Твердість за Роквеллом вимірюється в умовних одиницях. Умовна величина одиниці твердості відповідає осьовому переміщенню наконечника на 0,002 мм. Випробування проводять на приладі ТК. Значення твердості визначається по глибині відбитка h і відраховують циферблату індикатора, встановленому на приладі. У всіх випадках попереднє навантаження Р 0 дорівнює 100 Н.
При випробуванні металів з високою твердістю застосовують алмазний конус та загальне навантаження P=P 0 +P 1 =1500 Н. Твердість відраховують за шкалою «З» та позначають HRC.
Якщо при випробуванні береться сталева кулька і загальне навантаження 1000 Н, твердість відраховується за шкалою «В» і позначається HRB.
При випробуванні дуже твердих або тонких виробів використовують алмазний конус та загальне навантаження 600 Н. Твердість відраховується за шкалою «А» та позначається HRA. Приклад позначення твердості за Роквеллом: HRC 50 - твердість 50 за шкалою «З».
При визначенні твердості способом Віккерса (ГОСТ 2999-75) як наконечника, що вдавлюється в матеріал, використовують чотиригранну алмазну піраміду з кутом при вершині 136°. При випробуваннях застосовують навантаження від 50 до 1000 Н (менші значення навантаження визначення твердості тонких виробів і твердих, зміцнених поверхневих шарів металу). Числове значення твердості визначають так: заміряють довжини обох діагоналей відбитка після зняття навантаження і за допомогою мікроскопа і отриманого середнього арифметичного значення довжини діагоналі знаходять у таблиці відповідне число твердості. Приклад позначення твердості за Віккерсом – HV 500.
Для оцінки твердості металів у малих обсягах, наприклад, на зернах металу або його структурних складових застосовують спосіб визначення мікротвердості. Наконечник (індентор) приладу є алмазною чотиригранною пірамідою (з кутом при вершині 136°, таким же, як і у піраміди при випробуванні по Віккерсу). Навантаження на індентор невелике і становить 0,05-5 Н, а розмір відбитка 5-30 мкм. Випробування проводять на оптичному мікроскопі ПМТ-3, з механізмом навантаження. Мікротвердість оцінюють за величиною діагоналі відбитка.
Втомою називають процес поступового накопичення пошкоджень матеріалу під дією повторно-змінних напруг, що призводить до утворення тріщин та руйнування. Втома металу обумовлена ​​концентрацією напруг в окремих його обсягах, в яких є неметалеві включення, газові бульбашки, різні місцеві дефекти і т. д. Характерним є втомний злам, що утворюється після руйнування зразка в результаті багаторазового навантаження (рис. 11) і складається з двох різних по зовнішньому виглядучастин. Одна частина зламу 1 з рівною (затертою) поверхнею утворюється внаслідок тертя поверхонь в області тріщин, що виникли від дії повторно-змінних навантажень, інша частина 2 із зернистим зламом виникає в момент руйнування зразка. Випробування на втому проводять на спеціальних машинах. Найбільш поширені машини для повторно-змінного згинання зразка, що обертається, закріпленого одним або обома кінцями, а також машини для випробувань на розтяг - стиснення і на повторно-змінне кручення. В результаті випробувань визначають межу витривалості, що характеризує опір утоми.

Механічні властивостівизначають поведінку металу під навантаженням. Характеристики механічних властивостей отримують при механічних випробуваннях. Для цього впливають на зразок даного матеріалу якоюсь силою і заміряють реакцію матеріалу.

Під дією різних зовнішніх сил метал деформується та руйнується. Але величиною прикладеного навантаження не можна охарактеризувати умови навантаження. Важливо знати, яку площа поперечного перерізу це навантаження діє.

За характеристику навантаження напруга - Відношення сили до площі перерізу, на яку вона діє:

Напруження, що діє на будь-який довільно взятий майданчик, можна розкласти на нормальну складову σ , перпендикулярному майданчику, та дотичну t.

При однаковому навантаженні Pдеформація стрижнів (мал. 30) буде різною: другий подовжиться більше, тому що площа його поперечного перерізу менша.

Так як напруга в другому стрижні буде більша, тому він отримає велику деформацію.

Напруга, яка витримує метал, є його основною механічною характеристикою, яка не залежить від розмірів виробу.

Міцність

Міцність– це здатність металу чинити опір деформації та руйнуванню під дією зовнішніх та внутрішніх напруг.

Державні стандарти передбачають отримання характеристик міцності при випробуваннях на розтяг, стиск, вигин, кручення. Все це - статичні випробування, З поступовим, плавним зростанням навантаження.

Найбільш інформативним є випробування на розтяг на розривній машині; його проводять у більшості випадків для отримання стандартних характеристик міцності (рис. 32).

Розривна машина забезпечена пристроєм для запису так званої діаграми розтягування– графіка залежності між прикладеним навантаженням Pта подовженням зразка D l(Рис. 31). Сучасні машини мають вихід на комп'ютер, який не лише записує діаграму, а й розраховує характеристики міцності.

З цього випробування можна отримати наступні характеристикиміцності:

межа пружності[МПа] – це найбільша напруга, після якої зразок повертається до колишньої форми та розмірів;

межа плинності[МПа] – це напруження пластичного течії металу без збільшення навантаження;

межа міцності[МПа] – це найбільша напруга, яку метал витримує, не руйнуючись.

Істинна, або фізична межа плинності визначити важко: не у всіх металів утворюється «майданчик плинності». Тому найчастіше визначають умовна межа плинності , що спричиняє залишкову деформацію 0,2 %: » .

Розрахунки на міцність частіше ведуть за межею плинності, так як значна пластична деформація більшості деталей і конструкцій неприпустима. Але й межа міцності знати необхідно, оскільки він показує, у якому напрузі почнеться руйнація.

Пластичність

Пластичність- Це здатність металу деформуватися без руйнування.

Характеристики пластичності визначають із того ж випробування на розтяг. Це

відносне подовження [%]

відносне звуження [%], де

l 0 та lК, мм – довжина зразка до та після випробування;

F 0 та FК, мм 2 – початкова та кінцева площа поперечного перерізу зразка (рис. 32).

Відносне подовження та відносне звуження є одночасно і критеріями надійності: матеріал, що має більші значення d і y, більш надійний.

Твердість

Твердість- Це здатність матеріалу чинити опір впровадженню в нього іншого, більш жорсткого тіла.

Методи вимірювання, прилади, позначення, одиниці виміру твердості описані в методичні вказівкидо лабораторної роботи «Визначення твердості металів та сплавів». Вивчити самостійно!

В'язкість

В'язкість– це здатність матеріалу чинити опір руйнуванню при ударних, динамічних навантаженнях.

Характеристика в'язкості визначається під час випробування на ударний вигин. Це, на відміну від усіх попередніх, динамічне випробування, при якому навантаження додається до зразка з дуже великою швидкістю за тисячні частки секунди.

Випробування проводиться на маятниковому копрі (рис. 33).

Тяжкий маятник, піднятий на певний кут, відпускають. По дорозі руху маятника перебуває зразок. Удар ножа маятника руйнує його. Вироблена при руйнуванні робота визначається як різницю між потенційною енергією маятника до та після випробування.

Ударна в'язкість- Це робота руйнування зразка, віднесена до площі поперечного перерізу:

[Дж/м 2 ], де

AР - робота руйнування,

F- Площа поперечного перерізу зразка.

Зразок повинен мати надріз концентратор напруги. Позначення ударної в'язкості залежить від виду надрізу (рис. 34).

Для того самого матеріалу KCU > KCV > KCT, тобто чим гостріший надріз, тим легше руйнується матеріал.

Ударна в'язкість теж є критерієм надійності матеріалу, гарантією, що він не руйнуватиметься крихко, раптово.

Строго кажучи, ударна в'язкість є комплексною характеристикою, що включає питому роботу зародження тріщини aз та питому роботу розповсюдження тріщини aнар. Для більш достовірної оцінки надійності матеріалу методом екстраполяції визначають ударну в'язкість при радіусі концентратора r, що прагне до нуля. Це і буде робота розповсюдження тріщини aр, що дозволяє оцінити надійність (зародки тріщин у матеріалі є майже завжди, питання в тому, чи вони зростатимуть).

Випробування на розтяг металу полягають у розтягуванні зразка з побудовою графіка залежності подовження зразка (Δl) від навантаження (P), що додається, з наступним перестроюванням цієї діаграми в діаграму умовних напруг (σ - ε)

Випробування на розтяг проводяться по , з цього ж ГОСТу визначаються і зразки на яких проводяться випробування.

Як говорилося вище, при випробуваннях будується діаграма розтягування металу. На ній є кілька характерних ділянок:

1. Ділянка ОА - ділянка пропорційності між навантаженням Р та подовженням ∆l. Це ділянка, де зберігається закон Гука. Ця пропорційність була відкрита Робертом Гуком у 1670 р. і надалі отримала назву закону Гука.
2. Ділянка ОВ – ділянка пружної деформації. Тобто, якщо до зразка прикласти навантаження, що не перевищує Ру, а потім розвантажити, то при розвантаженні деформації зразка зменшуватимуться за тим самим законом, за яким вони збільшувалися при навантаженні

Вище точки В діаграма розтягування відходить від прямої - деформація починає зростати швидше за навантаження, і діаграма набуває криволінійного вигляду. При навантаженні, що відповідає Рт (точка С), діаграма перетворюється на горизонтальну ділянку. На цій стадії зразок отримує значне залишкове подовження практично без збільшення навантаження. Отримання такої ділянки на діаграмі розтягування пояснюється властивістю деформуватися матеріалу при постійному навантаженні. Ця властивість називається плинністю матеріалу, а ділянка діаграми розтягування, паралельна осі абсцис, називається майданчиком плинності.
Іноді майданчик плинності носить хвилеподібний характер. Це частіше стосується розтягування пластичних матеріалів і пояснюється тим, що спочатку утворюється місцеве утоніння перерізу, потім це утоніння переходить на сусідній обсяг матеріалу і цей процес розвивається доти, поки в результаті поширення такої хвилі не виникає загальне рівномірне подовження, що відповідає площадці плинності. Коли є зуб плинності, при визначенні механічних властивостей матеріалу, вводять поняття про верхній та нижній межах плинності.

Після появи майданчика плинності, матеріал знову набуває здатності чинити опір розтягуванню і діаграма піднімається вгору. У точці D зусилля досягає максимального значення Pmax. Досягнувши зусилля Pmax на зразку з'являється різке місцеве звуження - шийка. Зменшення площі перерізу шийки викликає падіння навантаження і в момент, що відповідає точці K діаграми, відбувається розрив зразка.

Навантаження, що додається, для розтягування зразка залежить від геометрії цього зразка. Чим більша площа перерізу, тим більше навантаження необхідна для розтягування зразка. З цієї причини машинна діаграма не дає якісної оцінки механічних властивостей матеріалу. Щоб виключити вплив геометрії зразка, машинну діаграму перебудовують у координатах σ − ε шляхом розподілу ординат P на початкову площу перерізу зразка A0 та абсцис ∆l на lо. Перебудована в такий спосіб діаграма називається діаграмою умовних напруг. Вже за цією новою діаграмою визначають механічні характеристикиматеріалу.

Визначаються такі механічні характеристики:

Межа пропорційності σпц– найбільша напруга, після якої порушується справедливість закону Гука σ = Еε , де Е – модуль поздовжньої пружності або модуль пружності першого роду. При цьому Е =σ/ε = tgα , тобто модуль E це тангенс кута нахилу прямолінійної частини діаграми до осі абсцис

Межа пружності σу- умовна напруга, що відповідає появі залишкових деформацій певної заданої величини (0,05; 0,001; 0,003; 0,005%); допуск на залишкову деформацію вказується в індексі при σу

Межа плинності σт– напруга, при якій відбувається збільшення деформації без помітного збільшення навантаження, що розтягує

Також виділяють умовна межа плинності- це умовна напруга, при якій залишкова деформація досягає певної величини (зазвичай 0,2% від робочої довжини зразка; тоді умовну межу плинності позначають як σ0,2). Величину σ0,2 визначають, як правило, для матеріалів, у яких на діаграмі відсутній майданчик або зуб плинності

До основних механічних властивостей відносять міцність, пластичність, твердість, ударну в'язкість та пружність. Більшість показників механічних властивостей визначають експериментально розтягуванням стандартних зразків на випробувальних машинах.

Міцність- здатність металу чинити опір руйнуванню при дії на нього зовнішніх сил.

Пластичність- здатність металу незворотно змінювати свою форму та розміри під дією зовнішніх та внутрішніх сил без руйнування.

Твердість- здатність металу чинити опір впровадженню до нього твердішого тіла. Твердість визначають за допомогою твердомірів запровадженням сталевої загартованої кульки в метал (на приладі Брінелля) або запровадженням алмазної піраміди в добре підготовлену поверхню зразка (на приладі Роквелла). Чим менший розмір відбитка, тим більша твердість випробуваного металу. Наприклад, вуглецева сталь до гарту має твердість 100 . . . 150 НВ (по Брінеллю), а після загартування - 500 . . . 600 НВ.

Ударна в'язкість- здатність металу чинити опір дії ударних навантажень. Ця величина, що позначається КС(Дж/см 2 або кгс м/см) визначається відношенням механічної роботи А,витраченої на руйнування зразка при ударному згині до площі поперечного перерізу зразка .

Пружність- здатність металу відновлювати форму та обсяг після припинення дій зовнішніх сил. Ця величина характеризується модулем пружності Е(МПа або кгс/мм 2), який дорівнює відношенню напруги а довикликаної ним пружної деформації. Високу пружність повинні мати сталі і сплави для виготовлення ресор і пружин.

Механічні властивості металів

Під механічними властивостями розуміють характеристики, що визначають поведінку металу (або іншого матеріалу) під дією доданих зовнішніх механічних сил. До механічних властивостей зазвичай відносять опір металу (сплаву) деформації (міцність) та опір руйнуванню (пластичність, в'язкість, а також здатність металу не руйнуватися за наявності тріщин).

В результаті механічних випробувань набувають числові значення механічних властивостей, тобто значення напруг або деформацій, при яких відбуваються зміни фізичного та механічного станів матеріалу.

Оцінка властивостей

При оцінці механічних властивостей металевих матеріаліврозрізняють кілька груп критеріїв.

1. Критерії, що визначаються незалежно від конструктивних особливостейта характеру служби виробів. Ці критерії знаходяться шляхом стандартних випробувань гладких зразків на розтягування, стиснення, вигин, твердість (статичні випробування) або ударний згин зразків з надрізом (динамічні випробування).
2. Міцні та пластичні властивості, що визначаються при статичних випробуваннях на гладких зразках хоч і мають важливе значення (вони входять у розрахункові формули) у багатьох випадках не характеризують міцність цих матеріалів у реальних умовах експлуатації деталей машин та споруд. Вони можуть бути використані тільки для обмеженої кількості простих за формою виробів, що працюють в умовах статичного навантаження при температурах, близьких до нормальної.
3. Критерії оцінки конструктивної міцності матеріалу, що знаходяться у найбільшій кореляції зі службовими властивостями даного виробута характеризують працездатність матеріалу в умовах експлуатації.

Конструкторська міцність металів

Критерії конструктивної міцності металевих матеріалів можна розділити на дві групи:

• критерії, що визначають надійність металевих матеріалів проти раптових руйнувань (в'язкість руйнування, робота, що поглинається при поширенні тріщин, живучість та ін.). В основі цих методик, що використовують основні положення механіки руйнування, лежать статичні або динамічні випробування зразків з гострими тріщинами, які мають місце в реальних деталях машин та конструкціях в умовах експлуатації (надрізи, наскрізні отвори, неметалеві включення, мікропорожнечі тощо). Тріщини та мікронесплошності сильно змінюють поведінку металу під навантаженням, оскільки є концентраторами напруг;
• критерії, що визначають довговічність виробів (опір втоми, зносостійкість, опір корозії тощо).

Критерії оцінювання

Критерії оцінки міцності конструкції в цілому (конструкційної міцності), що визначаються при стендових, натурних та експлуатаційних випробуваннях. При цих випробуваннях виявляється вплив на міцність та довговічність конструкції таких факторів, як розподіл і величина залишкових напруг, дефектів технології виготовлення та конструювання металовиробів тощо.

Для вирішення практичних завдань металознавства необхідно визначати як стандартні механічні властивості, і критерії конструктивної міцності.