СТРОИТЕЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Механические свойства металлов

Механические свойства устанавливают по результатам статиче­ских, динамических и усталостных (на выносливость) испытаний.

Статические испытания характеризуются медленным и плав­ным приложением нагрузки. Основными из них являются: испыта­ния на растяжение, твердость и вязкость разрушения.

Для испытании на растяжение используют стандартные образ­цы с расчетной длиной lp=d и площадью 11,3 А0, где d и А0 —

соответственно диаметр и площадь поперечного сечения образца сор­тового проката круглого, квадратного или прямоугольного сечения.

Испытания проводят на разрывных машинах с автоматической записью диаграммы растяжения. На рис. 7.4 представлена такая диа­грамма для среднеуглеродистой стали. Кривая I характеризует по­ведение металла под действием условных напряжений, а-Р! Ай, а кривая 2 — под действием истинных напряжений, S-P! AX (где А0 и Ах — соответственно площади поперечного сечения образца до испытания и на каждой ступени нагружения вплоть до разрушения. Обычно пользуются диаграммой условных напряжений, хотя более объективной является кривая 2. Напряжение сг (точка К на диа­грамме) характеризует предел пропорциональности. Его оценивают по отношению (tgaa - tgax) / tga^, которое не должно превышать 0,5 (здесь а0 и а, — соответственно углы наклона каса­тельных к начальному участку диаграммы при линейной и нелиней­ной зависимости между напряжениями и деформациями.

Предел упругости определяют напряжением, при котором остаточная деформация удлинения не превышает 0,05%. Предел текучести характеризуется условным пределом текучести, сг02, при котором остаточная деформация не превышает 0,2%. Физи­ческий предел текучести, соответствует напряжению, при котором образец деформируется без дальнейшего увеличения нагрузки. На­
пряжение <Уд (точка М на диаграмме), отвечающее наибольшей на­грузке, предшествующей разрушению образца, называется вре­менным сопротивлением (пределом прочности). Начиная с этого момента деформация локализуется на одном участке образца, напряжение падает и происходит разрушение (точка N на диаграм­ме). Истинное сопротивление разрушению SK, как видно из диаграммы, больше сгв, что свидетельствует об упрочнении (накле­пе) металла при испытании. Различие больше для пластичных и не­значительно для хрупких металлов. Для высокоуглеродистых сталей ST - ат и ST я SA., так как хрупкие металлы почти не испытывают пластических деформаций. SK (Sr) при хрупком разрушении харак­теризует сопротивление металлов отрыву. Для материалов хрупких при испытании на растяжение применяют статические испытания на сжатие (для чугуна), на кручение (для закаленных и конструкцион­ных сталей) и изгиб (для отливок из серого и ковкого чугуна).

Рис. 7.4. Диаграммы растяжения металла: а) для условных (сплошные линии) и истинных (штриховые линии) напря­жений: 1 — область упругой деформация: Л — то же пластической; HI — область развития трещин: б) условно истинных напряжений

Пластические свойства металлов характеризуются относитель­ным удлинением, 8 = [(/А. - 10 )/10 >00 % и сужением,
у/ = [(Aq - Ак )/ А0 }00% , где /0, 1К и Ад, Ак — соответственно

длина и площадь поперечного сечения образца до и после разруше­ния.

Твердость металлов испытывают путем вдавливания в него под определенной нагрузкой стального шарика, алмазного конуса или пирамиды (рис. 7.5) и оценивают по величине произведенной пла­стической деформации (отпечатку). В зависимости от вида исполь­зуемого наконечника и критерия оценки различают твердость по Бринеллю, Роквеллу и Виккерсу.

Твердость металлов по Бринеллю рассчитывают по формуле

НВ = 2Р/nD(D - 4d2 - d2) 10_б, МПа,

где Р — нагрузка (Н); D — диаметр стального шарика (м). В при­боре принят D -1 • 10-2 м; d — диаметр отпечатка (лунки) (м).

При испытании значение Р принимают: для стали и чугуна — З -104 Н, меди и сплавов — 1 • 104 Н, а очень мягких металлов (алюми­ния, баббита) — 2,5 103 Н. Метод применим для металлов и сплавов с твердостью не более 4500 МПа, так как при большей твердости стальной шарик может деформироваться.

Твердость по Роквеллу измеряют в условных единицах по фор­мулам:

HR = 100-е (при вдавливании алмазного конуса с углом при

действием общей нагрузки Р после снятия основной нагрузки Рх, h0 — глубина внедрения наконечника под действием предваритель­ной на грузки Р0 (м).

Предварительная нагрузка Р0 при испытаниях независимо от вида наконечника принята 100 Н; основная Рх, для стального шари­ка — 900 Н (шкала В), алмазного конуса — 1400 Н (шкала С) и 500 Н (шкала А). В соответствии с этим твердость по Роквеллу обозна­чается HRA, HRB, HRC. Метод широко применяется в промышленности, особенно для твердых и тонколистовых металлов и сшГгюрвдость по Виккерсу определяют по формуле

HV = 1,8544(Р/с?2) - КГ6, МПа, (7.4)

где Р — нагрузка на алмазную пирамиду от 500 до 1200 Н; d — среднеарифметическое значение двух диагоналей отпечатка, м.

Твердость по Виккерсу обозначается HV5, НУ 10 и т. д. Чем тоньше и тверже металл и сплав, тем меньше должна быть нагрузка при испытании.

Для определения микротвердости мелких изделий и структур­ных составляющих металлов используют также метод Виккерса в приборном сочетании с металлографическим микроскопом.

Испытание металлов на вязкость разрушения проводят на стандартных образцах с надрезом при трехточечном изгибе. Метод позволяет оценить сопротивление металла распространению, а не зарождению трещины или трещиноподобного дефекта любого про­исхождения, всегда имеющегося в металле. Вязкость разрушения оценивается параметром К, представляющим собой коэффициент интенсивности напряжений или локальное повышение растягиваю­щих напряжений (МПа) в вершине трещины:

К = У<тнл[дС. (7.5)

Условие стабильного существования трещины без ее роста и развития будет К < КХс, где КХс — критический коэффициент ин­тенсивности напряжений, определяемой при испытании образцов - балочек с надрезом на изгиб. Он характеризует трещиностойкость металла и является структурно-чувствительной характеристикой; уменьшается при понижении температуры, увеличении скорости приложения нагрузки и коррозии металла.

Динамические испытания металлов проводят на ударный изгиб и знакопеременное циклическое нагружение. На ударный изгиб испы­тывают образцы металла размерами (1 х 1x5,5)! О'2 м с концентратором напряжения (надрезом) посередине. Испытание проводят на маятни­ковом копре. Сопротивление металла ударному изгибу называют ударной вязкостью и обозначают KCU, KCV и КСТ (где КС — символ ударной вязкости, a U, V и Т — вид и размер концентратора напряже­ния). Она представляет работу Q удара, отнесенную к начальной пло­щади Ао сечения образца в месте концентратора, т. е. КС = QIА0, МДж/м2. Ударная вязкость характеризует сопротивление металла хрупкому разрушению и используется для определения порога хлад­ноломкости.

Сопротивление металла циклическому нагружению характеризу­ется максимальным напряжением, которое может выдержать металл без разрушения за заданное число циклов, и называется пределом вы­носливости. Применяют симметричные и несимметричные циклы на­гружения. Предел выносливости резко снижается при наличии кон­центраторов напряжений. Чувствительность к ним при симметричном цикле нагружения определяется эффективным коэффициентом на­пряжений Кзф =а_х1а_ш (где сг_, и сг_1Я —пределы выносливости

образцов гладкого и с надрезом).