До механічних властивостей металів відносять їх здатність чинити опір деформаціям (зміни форми або розмірів) і руйнування під дією зовнішніх навантажень. Такими властивостями є міцність, пластичність, твердість, в'язкість (ударна); втома, повзучість.
Деформації, які зникають після зняття навантаження, при цьому матеріал набуває первинної форми, називають пружними. Деформації, які залишаються після зняття навантаження, називають залишковими.
Для визначення механічних властивостей матеріалів спеціальні зразки або готові вироби випробовують у відповідності до вимог ГОСТів. Випробування зразків можуть бути статичними, коли на зразок діє постійна або повільно зростаюча навантаження, динамічними, коли на зразок діє миттєво зростаюча (ударна) навантаження, і повторно-змінними (втомним), при яких навантаження на зразок багаторазово змінюється по величині і напрямку.
Залежно від характеру дії прикладених Приміром або виробу сил (навантажень) розрізняють деформації стиснення, розтягування, вигину, зсуву (зрізу), крутіння.
Механічні властивості оцінюються чисельним значенням напруги.
Напруга - міра внутрішніх сил, що виникають в зразку під впливом зовнішніх впливів (сил, навантажень).
I. 1 Напруга служить для оцінки навантаження, що не залежить від розмірів тіла, що деформується. Напруження, що діють уздовж осі зразка, називають нормальними і позначають буквою а (сигма). Нормальні напруги визначаються відношенням сил, що діють уздовж осі деталі або зразка, до площі їх поперечного перерізу:
а = P / F, де а - нормальна напруга, Па *; Р - сила, що діє уздовж осі зразка м2
Нормальні напруги в залежності від напрямку діючих навантажень бувають стискають і розтягують.
Напруження, що діють перпендикулярно осі зразка, називають дотичними і позначають буквою т. Під дією дотичних напружень відбувається деформація зрізу
Напруги визначають при механічних випробуваннях зразків на спеціальних машинах: ці напруги використовують при розрахунках деталей машин на міцність.
Зусилля, навантаження, що діють на деталі, створюють в них напруги, які в свою чергу викликають деформації деталей. Наприклад, канат автомобільного крана при піднятті вантажу під дією навантаження, що розтягує відчуває напруження розтягу, тому н піддається деформації розтягування.
Під дією стискаючих напружень деформацію стиску випробувальний-нают станини і фундаменти верстатів, опорні колони, колеса і катки машин. В стрілі автомобільного або баштового крана, що піднімає вантаж, виникають напруження згину (рис. 4, в), які викликають деформацію вигину стріли. Деформації вигину відчувають балки, на які покладено вантаж, рейки під вагою поїзда, баштового або козлового крана. На зріз працюють заклепочні з'єднання, стопорні болти.
Напруження кручення викликають деформацію крутіння, наприклад, коли у стяжних болтів затягують гайки. Міцність - здатність металів або сплавів чинити опір руйнуванню при дії зовнішніх сил, що викликають внутрішні напруги і деформації. М П залежності від характеру дії зовнішніх сил розрізняють міцність на розтяг, стиск, вигин, крутіше-пні, повзучість і втому.
Визначення характеристик міцності при розтягується-НДІ - найбільш важливий і поширений вид хутра- (ч | іічеСКІХ випробувань металів. Відчувають зразки ^ fp певної форми і розмірів на спеціальних раз- (ривних машинах (ГОСТ 1497-73). Стандартний зразок закріплюють головками в машині і повільно навантажують з постійною швидкістю. В результаті зростаючого навантаження відбувається розтягнення зразка аж до руйнування.
При випробуванні проводиться автоматичний запис діаграми розтягування (рис. 6), що представляє собою графік зміни абсолютної довжини зразка в залежності від прикладеного навантаження. Певні точки на діаграмі розтягування р, с, s, Ь відображають найбільш важливі характеристики міцності: межа пропорційності, умовні межі пружності, плинності і міцності.
Межа пропорційності ощ (точка р на діаграмі розтягування) -це найбільше напруження, що виникає під дією навантаження РПЦ, до якого деформації в металі ростуть прямо пропорційно навантаженню. При цьому в зразку відбуваються тільки пружні деформації, т. Е. Зразок після зняття навантаження приймає свої первинні розміри. При подальшому збільшенні навантаження деформації зразка будуть залишковими.
Умовний межа пружності о0, о5 (точка с на діаграмі розтягування) -це напруга, при якому зразок отримує залишкове подовження, рівне 0,05% пер- Р, Н $ воначально довжини зразка. / ^ **% Практично межа пружності дуже близький межі пропорціоіальності.
Умовний межа плинності (точка s на діаграмі розтягування) - це напруга, при якому залишкове подовження досягає заданого значення, зазвичай 0,2%, але іноді 0,1 або 0,3% і більш при навантаженнях Рт ,. Відповідно до цього умовний межа плинності позначається 0о, 2, o \ "o, i, Оо, з і т. Д. Отже, умовна границя плинності відрізняється від умовної границі пружності тільки заданим значенням залишкового подовження. Умовний межа плинності відповідає напрузі, при якому відбувається найбільш повний перехід до пластичної деформації металу.
Умовний межа міцності ав (точка b на діаграмі розтягування) -це умовне найбільше напруження, при якому відбувається найбільша рівномірна по всій довжині деформація зразка. Після точки s на ділянці sb діаграми розтягування при подальшому збільшенні навантаження в зразку розвивається інтенсивна пластична деформація. До точки b зразок подовжується рівномірно по всій довжині. У точці b починається різке зменшення поперечного перерізу зразка на короткій ділянці з утворенням так званої шийки.
Межа міцності визначають за формулою де <Тв - межа міцності матеріалу, Па; Рм - навантаження в точці b, Н; F0- площа поперечного перерізу зразка до випробування, м2.
Характеристиками міцності користуються при виготовленні деталей машин. Практичне значення меж пропорційності, пружності і плинності зводиться до того, щоб визначити чисельне значення напруг, йод дією яких можуть працювати деталі в машинах, не наражаючись залишкової деформації (межа пропорційності) або піддаючись деформації на невелику допустиму величину згор, о5, Оа, 2 і т. д.
Пластичність - здатність металів зберігати зміна форми, викликане дією деформуючих сил після того, як сили зняті. Пластичні властивості випробовується обраацз металу визначають при випробуваннях на розтяг. Під дією навантаження зразки подовжуються, при цьому поперечний переріз їх відповідно зменшується. Чим більше подовжується зразок при випробуванні, тим більш пластичний матеріал. Характеристиками пластичності матеріалів служать відносне подовження і відносне звуження зразків.
Відносним подовженням називається відношення довжини зразка після розриву до його іерво-іні. Відносне подовження 6 (дельта) відсотках і обчислюють за формулою
s = [(/ 1/0) // ol-ioo%,
а зразка після розриву, м; 1о - довжина чала випробування, м. Відносним звуженням називається відношення площі поперечного перерізу зразка а до площі поперечного перерізу зразка випробування. Відносне звуження відсотках і обчислюють за формулою
x ^ [(F0-FJ / F,} - \\ 00%,
де FQ - площа поперечного перерізу зразка до початку випробування, м2; F \\ - площа поперечного перерізу зразка після розриву, м2.
Твердість - опір поверхневих шарів матеріалу місцевим деформацій. Твердість зазвичай оцінюється опором вдавленням в поверхню металу індикатора з більш твердого матеріалу. Вимірювання твердості металів і сплавів як метод оцінки їх механічних властивостей широко використовується в техніці.
По твердості судять про інших властивостях металу і сплаву. Наприклад, для багатьох сплавів, чим вище твердість, тим більше міцність на розтягнення, вище зносостійкість; як правило, сплави з меншою твердістю легше обробляються різанням. Твердість визначають безпосередньо на деталях без їх руйнування.
Тому випробування на твердість є незамінним виробничим методом оцінки механічних властивостей матеріалів. На практиці в залежності від використовуваного приладу твердість визначають двома способами. Якщо твердість досліджуваного матеріалу менше, ніж твердість загартованої сталі, то використовують твердомер шаріковий- ТШ, якщо твердість досліджуваного матеріалу більше, ніж твердість загартованої сталі, то користуються твердоміром конусним - ТК.
При визначенні твердості по Бринеллю на приладах ТШ (ГОСТ 9012-59) сталевий загартований кульку діаметром D (2,5; 5 або 10 мм) вдавлюють в випробуваний метал під дією навантаження Р протягом певного часу (рис. 7). Після видалення навантаження на поверхні випробуваного металу залишається відбиток. Вимірявши під мікроскопом діаметр відбитка d, за таблицями стандарту визначають твердість металу.
Ставлення прикладеної до кульки навантаження (кгс) до площі поверхні відбитка кульки (мм2) називається числом твердості по Брінеллю і позначається НВ,
Якщо на кульку діаметром ZD = 10 мм діє навантаження = 3000 кгс протягом 10 с, то визначається за таблицями число твердості по Бринеллю записують так: 1IB400, НВ250, НВ500 і т. Д. За інших умов випробування до позначення НВ додають цифри, що характеризують діаметр кульки (мм), навантаження (кгс) і тривалість витримки (с). Наприклад, НВ5 / 750 / 30-350 позначає, що число твердості по Ьрніеллю одно 350 при випробуванні вдавленням кульки діаметром D = 5 мм під навантаженням Р = 750 кгс протягом t = 3Q с.
При визначенні твердості по Роквеллу на приладах ТК (ГОСТ 9013-59) алмазний конус з кутом при вершині 120 ° вдавлюють в випробуваний метал спочатку під дією попереднього навантаження Р0, що дорівнює 10 кгс, яка не знімається до кінця випробування. Під навантаженням Р0 алмазний конус вдавлюється на глибину h0. Потім до попередньої навантаженні додається основная- навантаження Рь рівна 140 або 50 кгс - для дуже твердих і крихких матеріалів.
Алмазний конус вдавлюється на глибину ht. Через 1-3 с, після того як стрілка приладу уповільнить свій рух, основне навантаження знімають. Стрілка приладу показує на шкалі твердість металу в умовних одиницях.
За умовну одиницю твердості по Роквеллу приймається глибина вдавлення алмазного конуса на величину 0,002 mm «/ j0. Всі шкали приладу відградуйовані в безрозмірних умовних одиницях твердості.
Твердість, яка визначається на приладах ТК методом вдавлення алмазної конуса, називається твердістю по Роквеллу і позначається HR. Відлік твердості ведуть за двома шкалами в залежності від застосовуваної загального навантаження Р. Якщо P = P0 + Pi = 10 + 140 = 150 кгс, то відлік твердості ведуть за шкалою С і твердість позначають HRC, якщо P = P0 + Pi = 10 + 50 = 60 кгс, то відлік твердості ведуть також за шкалою С, але твердість позначають HRA.
Якщо необхідно виміряти твердість по Роквеллу м'яких матеріалів, то алмазний конус замінюють кулькою діаметром 1,6 мм. Основне навантаження Pi = 90 кгс, значить, загальне навантаження P = P0 + Pi = 10 + 90 = 100 кгс. Відлік твердості ведуть за спеціальною шкалою В, а твердість позначають HRB.
Твердість по Роквеллу HR записують таким чином: 11RC65, HRB30, HRA80 і т. Д., Де цифри позначають твердість, а літери А, С, В - відповідну шкалу.
Ударна в'язкість - здатність металів чинити опір дії ударних навантажень. При ударних навантаженнях напруги, що виникають в металі, діють миттєво, тому їх важко визначити. Ударну в'язкість визначають роботою, витраченої на злам зразка.
Для визначення ударної в'язкості при нормальній температурі (ГОСТ 9454-78) передбачено 20 типорозмірів зразків квадратного і прямокутного перетину. Найчастіше застосовують зразки квадратного перетину 10 × 10 мм довжиною 55 мм з концентратором надрізані з одного боку посередині довжини на глибину / Tfgj ^^ А 2мм).
Зразок стандартної форми укладають горизонтально в спеціальний шаблон маятникового копра, що забезпечує установку надрізу зразка строго в середині прольоту. Потім маятник скидається, і він, вільно падаючи під дією власної ваги, завдає удару по зразком з боку, протилежного надрізу. В результаті удару зразок згинається і ламається, а маятник після руйнування зразка продовжує рухатися далі і піднімається на висоту h.
Робота, витрачена на руйнування зразка, визначається різницею потенційних енергій маятника в початковий (після підйому на кут а) і кінцевий моменти випробування (після зльоту на кут (3) і виражається формулою
k = P (H - h),
де k - робота, витрачена на руйнування зразка, Дж (кгс-м); Р - вага маятника, кгс; Н і h - висоти підйому і зльоту маятника, м.
Основну характеристику при випробуванні на удар-ударну в'язкість - визначають за формулою
kcu = k / s0,
де kc - ударна в'язкість, Дж / М5 *; і - форма концентратора; s0 - площа поперечного перерізу зразка в місці надрізу до випробування, м2.
Багато деталей машин і устаткування під час роботи зазнають ударних навантажень, дія яких па деталі відбувається миттєво. В результаті змінюються умови, при яких працюють такі деталі. Ударні навантаження відчувають інструменти типу штампів, деякі зубчасті передачі і т. Д.
Втома - руйнування металів під дією багаторазових повторно-змінних (циклічних) навантажень, при напружених менших межі міцності на розтяг.
В умовах дії повторно-змінних навантажень в працюючих деталях утворюються і розвиваються тріщини, які призводять до повного руйнування деталей. Подібне руйнування небезпечно тим, що може відбуватися під дією напружень, набагато менших меж міцності і плинності.
Властивість протистояти втомі називається в и-витривалості. Опір втоми характеризується межею витривалості, т. Е. Найбільшим струмом, який може витримати метал без руйнування задане число раз.
Під дією повторно-змінних навантажень працюють колінчаті вали двигунів, багато деталей машин - вали, шатуни, пальці, шестерні і т. Д.
Мета випробувань на втому (ГОСТ 2860-65) - кількісна оцінка здатності матеріалу (зразка) працювати при повторно-змінних навантаженнях без руйнування.
Цикл напружень - сукупність змінних значень напруг за один перепад їх зміни. Заданий число циклів навантаження при випробуванні називають базою випробування. Зазвичай база випробування становить 108 циклів навантаження. Якщо матеріал витримав базове число циклів без руйнування, то він добре протистоїть втоми і деталь з цього матеріалу буде працювати надійно.
Повзучість - здатність металів і сплавів повільно і безперервно пластично деформуватися
* 1 Дж / м2 «0,1 кгс-м / см2.
під дією постійного, тривало діючої навантаження.
Вироби з металів і сплавів, що працюють при підвищених або високих температурах, володіють меншою міцністю. При експлуатації будь-який матеріал під дією постійного навантаження (напруги) може в певних умовах прогресивно деформуватися з часом.
Випробування на повзучість при розтягуванні (ГОСТ 3248-60) полягають в тому, що випробуваний зразок протягом тривалого часу піддається дії постійного розтягуючого зусилля при постійній високій температурі. В результаті випробування визначають межу повзучості металу, т. Е. Найбільше розтягуюче напруга, при якому швидкість повзучості або відносне подовження за певний проміжок часу досягає заданої величини.
Якщо задаються швидкістю повзучості, то межа повзучості позначають 5 "п, де vn - задана швидкість повзучості,% / год; t - температура випробування, ° С.
Якщо задаються відносним подовженням, то в позначенні межі повзучості використовують три індексу: температуру випробування t, ° С, відносне подовження б,% і тривалість випробування т, ч. Наприклад, з> i / iooo -предел повзучості при температурі 800 ° С, коли відносне подовження 6 = 1% досягається за 1000 год.