Механические свойства металлов и сплавов: общий взгляд

Физические основы пластичности металлов

Что это за свойства? Под механическими понимают такие свойства субстанции, которые отражают ее умение противостоять действиям извне. Известно девять основных механических свойств металлов:

— Прочность — означает, что приложение статической, динамической или знакопеременной нагрузки не приводит к нарушению внешней и внутренней целостности материала, изменению его строения, формы и размеров.

— Твердость (часто путают с прочностью) — характеризует возможность одного материала противостоять прониканию другого, более твердого предмета.

Металл

— Упругость — означает способность к деформированию без нарушения целостности под действием определенных сил и возвращению первоначальной формы после освобождения от нагрузки.

— Пластичность (часто путают с упругостью и наоборот) — также способность к деформации без нарушения целостности, однако в отличие от упругости, пластичность означает, что объект способен сохранить полученную форму.

— Стойкость к трещинам — под воздействием внешних сил (ударов, натяжений и пр.) материал не образует трещин и сохраняет наружную целостность.

— Вязкость или ударная вязкость — антоним ломкости, то есть возможность сохранять целостность материала при возрастающих физических воздействиях.

— Износостойкость — способность к сохранению внутренней и внешней целостности при длительном трении.

Механические свойства металлов

— Жаростойкость — длительная возможность противостоять изменению формы, размера и разрушению при воздействии больших температур.

— Усталость — время и количество циклических воздействий, которые материал может выдержать без нарушения целостности.

Часто, говоряо тех или иных свойствах, мы путаем их названия: технологические свойства относим к физическим, физические к механическим и наоборот. И это неудивительно, ведь несмотря на глубинные отличия, лежащие в основе той или иной группы свойств, механические свойства не только крайне тесно связаны с другими характеристиками металлов, но и напрямую зависят от них.

Механические свойства металлов.

Любое вещество, будь то газ, жидкость или твердое тело, обладает рядом специфических, только ему присущих свойств. Однако эти свойства позволяют не только индивидуализировать элементы, но и объединять их в группы по принципу схожести.

Посмотрите на металлы: с обывательской точки зрения это блестящие элементы, с высокой электро- и теплопроводностью, не восприимчивые к внешним физическим воздействиям, ковкие и легко свариваемые при высоких температурах. Достаточен ли этот перечень. чтобы объединить металлы в одну группу? Конечно же нет, металлы и их производные (сплавы) гораздо сложнее и обладают целым набором химических, физических, механических и технологических свойств. Сегодня мы поговорим лишь об одной группе: механических свойствах металлов.

Что такое ударная вязкость металлов и как её испытывают

При создании высокотвердых, прочных материалов необходимо учитывать такое их свойство как вязкость или сопротивление хрупкому разрушению, определяющее способность материала пластически деформироваться в условиях динамических нагрузок.

Хрупкий тип разрушения — самый опасный, так как трещина возникает мгновенно, в течение долей секунды, быстро растет, превращаясь в так называемую магистральную трещину. В случае линий трубопровода магистральная трещина может пройти вдоль нескольких труб за считанные секунды.

Особое внимание на возможность сталей сопротивляться хрупкому разрушению уделяют при расчете металлоконструкций, предназначенных для эксплуатации в условиях северных широт, так как низкие температуры способствуют охрупчиванию металла. В ходе инженерных расчетов используют такой критерий, как ударная вязкость, которая количественно описывает сопротивление материала хрупкому разрушению.

Статья, которая поможет вам понять механические свойства материалов: прочность, твердость, вязкость, хрупкость .

В строительной инженерии, когда мы выбираем правильный материал для проекта или продукта, очень важно выбрать именно этот материал, а не этот материал, основываясь на механических свойствах материала в качестве основы, эта статья поможет вам понять основные механические свойства материалов: прочность, твердость, вязкость, хрупкость…

СТРОИТЕЛЬНО-ИНЖЕНЕРНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Ударная вязкость стали и металлов: что это такое, в чем измеряется и как обозначается

При создании высокопрочных деталей необходимо знать, как их ключевые свойства будут проявляться и изменяться на практике многолетней эксплуатации. Поэтому в фокусе нашего сегодняшнего внимания ударная вязкость материала, то есть его способность деформироваться пластически под воздействием динамических нагрузок.

Другими словами, это также эффективность сопротивления хрупкому типу разрушения – одному из самых опасных видов, при котором трещина очень быстро становится магистральной: мгновенно возникает, а разрастается за доли секунды. Если взять в качестве примера коммуникационную линию, то в ней при появлении такого повреждения меньше чем за минуту порвет сразу несколько труб.

Поэтому просто необходимо учитывать рассматриваемый параметр при проектировании каких-либо объектов из металлоконструкций, особенно сложных, предназначенных для использования в жестких климатических условиях: при низких температурах, при постоянно меняющемся микроклимате, при высоком механическом давлении, физических воздействиях и так далее.

Что называют ударной вязкостью – это

ударная вязкость

Начнем с определения: это показатель количества работы (энергии), необходимой для хрупкого разрушения материала. Вычисляется опытным путем, по результатам комплексных тестов, проводимых методом маятникового копра.

Все проверки выполняются на стандартизованных образцах – стержнях квадратного сечения с нанесенным на какой-то из его граней искусственным концентратором напряжения. Последний может быть выполнен:

  • в виде литеры V или U;
  • а также в форме усталостной трещины.

В итоге выявляют не только интересный нам параметр, но также качество и характер деформации поверхности, а затем и соотношение составляющих повреждения. Это может быть или исключительно визуальный анализ, или более глубокий, с оценкой текстуры и слоев при помощи цифровых и компьютерных технологий.

Естественно, данный показатель отличается в зависимости от материала. Потому помните, когда мы рассматриваем, что такое ударная вязкость стали, это эффективность сопротивления именно конкретно взятого металла или сплава и только его, а не всех вообще.

★ Базовый Cоднажды

Изучение знаний начинается с концепций, которые представляют собой наименьшие единицы знания. Понимание чего-либо, предмета, требует понимания многих основных понятий. Следовательно, чтобы узнать о механических свойствах материалов, нам необходимо сначала понять соответствующую основную концепцию и то, что она выражает. С этой отправной точкой дальнейшее будет намного проще.

Нет. Свойства Определение
1 Прочность Способность материала противостоять повреждениям под действием внешней силы.
2 Твердость Способность материала противостоять локальной пластической деформации. Способность материала противостоять царапинам, порезам, истиранию, вдавливанию или проникновению.
3 неподвижность Жесткость относится к способности материала или компонента противостоять деформации под действием напряжения, что отражает сложность упругой деформации, а также силу, необходимую для смещения единицы.
4 гибкость Гибкость, также известная как коэффициент гибкости, обозначается как λ, что относится к размеру деформации вдоль вертикальной оси компонента при осевом напряжении. Это величина, обратная жесткости.
5 Усталость Усталостное повреждение относится к явлению разрушения материала под действием напряжения, которое намного ниже предела прочности или даже предела текучести материала.
6 Прочность Вязкость, указывающая на способность материала поглощать энергию во время пластической деформации и разрушения.
7 Хрупкость Хрупкость относится к свойству, при котором материал разрушается под действием внешней силы (например, при растяжении и т. Д.) С небольшой деформацией.
8 эластичность Под эластичностью понимается свойство, при котором объект может восстанавливать свой первоначальный размер и форму после деформации, что выражается модулем упругости E.
9 пластичность Пластичность – это способность объекта деформироваться. Когда внешняя сила мала, объект подвергается упругой деформации, когда внешняя сила превышает определенное значение, объект производит безвозвратную деформацию, которая называется пластической деформацией.
10 тягучесть Пластичность относится к способности материала или компонента продолжать нести после достижения состояния повреждения, пока не достигнет своей предельной грузоподъемности. Это способность сохранять деформацию при определенной грузоподъемности.

Значения механических свойств металлов и их описание

Прочность

Способность металлов оказывать сопротивление деформации. Очень прочным металлическим сплавом является сталь, которая практически не деформируется при воздействии. В производстве машинного оборудования и различных деталей сталь должна обладать высокой прочностью и упругостью, но также она должна обладать пластичностью. Исходя из многочисленных испытаний выявлено, что характеристики прочности менее всего у ртути.

Пластичность

Пластическая деформация в машинах и сооружениях недопустима, но это свойство используют для легкой прокатки, штамповки и куйки. Способность металла деформироваться без разрушения и будет показатель его пластичности. Примером пластичного металла служит свинец.

Твердость

Местное сопротивление к проникновению индентора внутрь материала и есть свойство твердости металла. При изготовлении инструментов из металла это свойство рассматривается первоначально.

Ударная вязкость

При влиянии ударных нагрузок металл способен разрушатся. Материалы с такими свойствами применяются при ударной нагрузке изделий, например для несущей системы, подвески или колес автотранспорта. Стоит обратить внимание, что малоуглеродистая сталь при неверном применении проявляет качество вязкости.

Ползучесть

Таким свойством обладают практически все конструкционные материалы. Чем выше поднимается температура, тем выше показатели, что зависит от температуры плавления самого металла. · Усталость Многократное воздействие одинаковых по силе и продолжительности нагрузок может вызывать усталость материала. Выносливость сопротивлению нагрузок считают показателем усталости.

Износостойкость

Способность при влиянии силы трения противостоять истиранию имеет большое значение при изготовлении деталей, которые по своей специфике работают на износ.

Хрупкость

Отсутствие пластического изменения состояния при высокой температуре. При выраженной хрупкости остаются разрушения и большие объемы остаточных деформаций. Например, если труба склонна к хрупкости, то характерным признаком станет значительное утонение стенки в месте разрыва. Наиболее хрупким в этом отношении считают чугун.

Упругость

Возвращение материала в первоначальное состояние после воздействия на него определенной силы или нагревания. Большой упругостью должны обладать подвески и пружины, именно поэтому их изготавливают из определенных сплавов.

★ Основные характеристики

Чтобы лучше понять эти механические свойства, я выбрал 10 обычных сцен из повседневной работы или жизни в качестве справочных, чтобы дополнительно описать их основные характеристики, передать их своим друзьям, чтобы они учились друг у друга.

Прочность: материал должен выдерживать силы, приложенные в сценарии применения, без изгиба, разрушения, разрушения или деформации.

Твердость: более твердые материалы, как правило, более устойчивы к царапинам, долговечны и устойчивы к разрывам и вмятинам.

Жесткость: материал с хорошей жесткостью менее подвержен деформации.

Гибкость: большая степень гибкости приводит к большей деформации и ухудшению устойчивости компонента.

Усталость: материал с высокой утомляемостью имеет хорошее качество и служит дольше.

Прочность: сопротивление материала растяжению и ударам, чем выше ударная вязкость, тем меньше вероятность хрупкого разрушения.

Хрупкость: в отличие от прочности, чем выше хрупкость, материал будет поврежден при очень небольшой деформации.

Эластичность: способность материала поглощать силу, изгибаться в разных направлениях и возвращаться в исходное состояние.

Пластичность: по сравнению с эластичностью, чем лучше пластичность, деформация материала сохранит форму после деформации.

Пластичность: способность подвергаться напряжению и деформации в направлении длины. Для сейсмических конструкций следует использовать материалы с хорошей пластичностью.

Критическая температура хрупкости

Окружающая среда напрямую влияет на сопротивление детали разрушению. Данная зависимость настолько очевидная, что была выделена в явление – под названием хладноломкость – и объясняется неизбежными деформациями при переходе в хрупкое состояние под воздействием мороза.

Температура, при которой наблюдается изменение и появляется повреждение, и считается критической. В технической литературе ее зачастую сокращают до аббревиатуры Тхр, а также записывают как «порог хладноломкости», который, помимо всего прочего, показывает, что составляющие в заготовке находятся в равных долях.

Данную величину находят опытным путем, проводя испытание материала на ударную вязкость – серию тестов с постепенным понижением терморежима, начиная от +20 градусов по Цельсию и заканчивая на -70 0С. По результатам выстраивают график, отражающий зависимость и показывающий точку перегиба – искомую Тхр. И чем этот показатель больше по своему значению, тем вероятнее, что под воздействием морозов в детали появится трещина (или другой сходный дефект).

Естественно, при прочих равных заготовки или целые функциональные узлы лучше делать из того сырья, порог хладноломкости которого сравнительно ниже, ведь тогда изделия можно будет эксплуатировать и в более жесткой климатической среде.

Маятниковый копер

Испытания на ударную вязкость осуществляются с помощью маятникового копра. Прежде чем на нём проводить эксперименты, необходимо изготовить образцы, которые будут иметь форму маленького бруса, у которого квадратное поперечное сечение. Для возможности сравнения результатов испытания должны проводиться в одинаковых условиях.
Разрушения, наносимые в ходе эксперимента, имеют различный характер, который зависит от характеристик металла. Так, при работе с хрупким материалом образец просто разломается, но его форма не будет изменена. Брусочки пластичных металлов будут иметь значительный изгиб в том месте, где будет излом.

Почему у металлов различная хрупкость

При значительных нагрузках в условиях действия стабильно низких температур свое влияние оказывают следующие факторы:

  • Микроструктура – она может быть крупно- или мелкозернистой, высокой чистоты или достаточно сильнозагрязненной посторонними включениями, с твердыми фазами по границам или без них, с нежелательными примесями или без них.
  • Концентраторы критических воздействий – несплошные участки, трещины и разрывы, газовые пузыри и тому подобные дефекты. В одном сырье их больше, в другом – меньше.
  • Остаточные напряжения и тому подобные состояния, сохранившиеся после проведения всех необходимых операций на предыдущих стадиях технического процесса производства.

Вот от чего зависит ударная вязкость на практике, и следует помнить, что большинство из перечисленных выше факторов также меняются. Те же повреждения со временем развиваются, становясь серьезнее и нарушая структуру.

Относительная нестабильность свойств – именно та причина, по которой при выпуске деталей требуется выполнять проверки. По результатам тестов можно с высокой степенью точности установить, при какой температуре допустимо стабильно эксплуатировать заготовку. Поэтому необходимо подробно рассмотреть, как их проводить, какие образцы при этом использовать, что за предварительную подготовку осуществить и так далее.

Свойства металлов

Металлы, это группа элементов, в виде простых веществ, обладающих характерными металлическими свойствами, такими, как высокие тепло- и электропроводность, положительный температурный коэффициент сопротивления, высокая пластичность, ковкость и металлический блеск. В данной статье все свойства металлов будут представлены в виде отдельных таблиц.

Свойства металлов делятся на физические, химические, механические и технологические.

Технологические свойства металлов

К технологическим — прокаливаемость, жидкотекучесть, ковкость, свариваемость, обрабатываемость резанием.

Прокаливаемость металлов – это их способность получать закаленный слой определенной глубины.

Жидкотекучесть металлов — это свойство металла в жидком состоянии заполнять литейную форму и воспроизводить ее очертания в отливке.

Ковкость металлов —это технологическое свойство, характеризующее их способность к обработке деформированием, например, ковкой, вальцеванием, штамповкой без разрушения.

Свариваемость металлов — это их свойство образовывать в процессе сварки неразъемное соединение, отвечающее требованиям, обусловленным конструкцией и эксплуатацией производимого изделия.

Обрабатываемость металлов резанием — это их способность изменять геометрическую форму, размеры, качество поверхности за счет механического срезания материала заготовки режущим инструментом. Обрабатываемость металлов зависит от их механических свойств, в первую очередь прочности и твердости.

Современными методами испытания металлов являются механические испытания, химический анализ, спектральный анализ, металлографический и рентгенографический анализы, технологические пробы, дефектоскопия. Эти испытания дают возможность получить представление о природе металлов, их строении, составе и свойствах, а также определить качество готовых изделий.

Определение твердости способом Виккерса

При определении твердости способом Виккерса (ГОСТ 2999-75) в качестве вдавливаемого в материал наконечника используют четырехгранную алмазную пирамиду с углом при вершине 136°. При испытаниях применяют нагрузки от 50 до 1000 Н (меньшие значения нагрузки для определения твердости тонких изделий и твердых, упрочненных поверхностных слоев металла). Числовое значение твердости определяют так: замеряют длины обеих диагоналей отпечатка после снятия нагрузки и с помощью микроскопа и по полученному среднему арифметическому значению длины диагонали находят в таблице соответствующее число твердости. Пример обозначения твердости по Виккерсу – HV 500.

Для оценки твердости металлов в малых объемах, например, на зернах металла или его структурных составляющих применяют способ определения микротвердости. Наконечник (индентор) прибора представляет собой алмазную четырехгранную пирамиду (с углом при вершине 136°, таким же, как и у пирамиды при испытании по Виккерсу). Нагрузка на индентор невелика и составляет 0,05-5 Н, а размер отпечатка 5-30 мкм. Испытание проводят на оптическом микроскопе ПМТ-3, снабженном механизмом нагружения. Микротвердость оценивают по величине диагонали отпечатка.

Методы испытаний металлов на ударную вязкость

Сначала – немного классификации, чтобы вы понимали, по каким причинам стоит делать выбор в ту или иную пользу. Существующие сегодня варианты лабораторных изысканий разделяют на несколько групп по следующим критериям:

  • наличие/отсутствие концентратора напряжений, то есть надреза определенной формы на одной из граней в зоне нанесения удара;
  • вид закрепления – установка на опоры, погружение в холодильную емкость и тому подобное;
  • характер воздействия – нагрузка может передаваться за счет молота, гири, маятника или иного твердого тела.

ударная вязкость это

Также есть способы проверки, названные в честь тех, кто их ввел:

  • по Гарднеру;
  • по Шарпи;
  • по Изоду.

При этом любая из вышеперечисленных разновидностей испытаний стали на ударную вязкость (и каких-либо других металлов тоже) сводится к попытке разрушения стандартного образца падающим предметом. Отличие только в специфике тестов, проводимых без надреза или с ним. Первый случай актуален только для листовых прокатных изделий, толщина которых одинакова по всей их площади, и его итоговые значения в несколько раз (до 10) превышают результаты в обычной среде, это нужно учитывать и соответствующим путем коррелировать дальнейшие расчеты.

Поскольку разница в нюансах, а не в принципе, рассмотрим один популярнейший метод, чтобы вы получили понимание о том, как проверки осуществляются в лабораторных условиях и насколько они точны.

Отбор образцов

ударная вязкость металлов

К выбору брусочков подход должен быть основательным. Так, технология изготовления заготовок, место вырезки и ориентация оси концентратора прописана в ГОСТ 7565. Единственный вариант другого исполнения – когда предусмотрено иное в технической документации, выданной на продукцию. При создании образцов нужно следить, чтобы на нём не было наклепа, а также, чтобы он не нагревался настолько, чтобы изменялись его свойства. Число и тип заготовок, а также порядок проведения их повторных испытаний должны указываться в технической документации на разрабатываемую продукцию.

Подготовка к испытанию и его проведение

Прежде чем приступать к выяснению, какая ударная вязкость у металла, необходимо проверить, правильно ли расположен указатель работы во время свободного падения в маятнике. Для маятникового копра с цифровыми устройствами отчета указатель должен показывать значение «нуль». Проводится установление температур:

  1. За градус эксперимента принимают значение, которое есть в момент удара.
  2. Указывают комнатную температуру (20 градусов по Цельсию с отклонением не больше 10 градусов).
  3. При проведении эксперимента в условиях ниже комнатных, образец должен быть заранее переохлажден.
  4. Во время испытания в условиях выше комнатных, образец должен быть перегрет.

Порядок проведения эксперимента с образцом:

  1. Заготовка должна свободно лежать, будучи положенной на опоры копра. Устанавливается она на своё место при помощи шаблона, который в свою очередь обеспечивает симметричное расположение концентратора относительно опор, при этом погрешность не должна превышать 0,5 миллиметра. В случае использования торцевых ограничителей следует удостовериться, что они не будут заготовке мешать свободно деформироваться во время проведения экспериментов.
  2. Испытание на ударную вязкость происходит при прикосновении маятника. Он во время эксперимента движется со стороны, противоположной концентратору.
  3. Работа удара определяется при помощи шкалы маятникового копра или подобных отсчетных устройств, которые могут измерить ударную вязкость.

Результат значительным образом будет зависеть от целого ряда причин. К примеру, ударная вязкость стали в зависимости от температуры при переохлаждении может составлять от 300 до 1000 кДж/м2.

Обработка полученных результатов

испытание на ударную вязкость

Данные получены, сейчас необходимо присвоить ударную вязкость полученным значениям. Работа удара описывается двумя буквами. Сначала идёт К, которая является символом произошедшего действия. А вторая может меняться – U,V или Т – в зависимости от вида концентратора. Затем идут цифры, которыми обозначена максимальная энергия удара маятника, ширина образца и грубина концентратора.
Учитывая, что маятниковый копер имеет ограничения по прилагаемой силе, то образцы не всегда оказываются разрушенными полностью. В таких случаях считается, что установить показатель качества исследуемого материала не представилось возможным, а он сам – не найден. В протоколе исследования необходимо указать, что образец при приложении максимальной силы маятника не разрушился. Результаты эксперимента не учитываются в тех случаях, когда заготовка приходит в негодность из-за дефектов металлургического производства.

Усталость металла

Усталостью называют процесс постепенного накопления повреждений материала под действием повторно-переменных напряжений, приводящий к образованию трещин и разрушению. Усталость металла обусловлена концентрацией напряжений в отдельных его объемах, в которых имеются неметаллические включения, газовые пузыри, различные местные дефекты и т. д. Характерным является усталостный излом, образующийся после разрушения образца в результате многократного нагружения (рис. 11) и состоящий из двух разных по внешнему виду частей. Одна часть излома 1 с ровной (затертой) поверхностью образуется вследствие трения поверхностей в области трещин, возникших от действия повторно-переменных нагрузок, другая часть 2 с зернистым изломом возникает в момент разрушения образца. Испытания на усталость проводят на специальных машинах. Наиболее распространены машины для повторно-переменного изгибания вращающегося образца, закрепленного одним или обоими концами, а также машины для испытаний на растяжение – сжатие и на повторно-переменное кручение. В результате испытаний определяют предел выносливости, характеризующий сопротивление усталости.

Усталостный излом

Рис. 11. Усталостный излом

Выносливость – свойство материала противостоять усталости. Предел выносливости – это максимальное напряжение, которое может выдержать металл без разрушения заданное число циклов нагружения. Между пределом выносливости и пределом прочности существует приближенная зависимость: σ-1≈0,43σв; σ-1р≈0,36σв, где σ-1 и σ-1р – соответственно пределы выносливости при изгибе и растяжении-сжатии.

Сравнение материалов по ударной вязкости

Можно проводить его опытным путем, самостоятельно выполняя тесты, записывая полученные результаты и так далее. Но гораздо быстрее и проще воспользоваться уже найденными в ходе проверок по методу Изода значениями, сведенными в специальную таблицу. Преимущественное место в ней занимают пластики, но и другие виды сырья тоже представлены.

В любом случае, вы сэкономите свое время, ведь останется только вычислить КС и порог хладноломкости для используемого сплава, а потом сравнить их с аналогичными и уже известными цифрами.

Мы постарались дать максимальное представление о способах испытаний, подсчетах, определении, особенностях. Подробно остановились даже на том, в каких единицах измеряется ударная вязкость (размерность ее – Дж/м2, напоминаем). Столько информации – чтобы вы точно понимали важность этого показателя и могли грамотно его учитывать при выборе материала для исполнения деталей.

Оцените статью
Рейтинг автора
4,8
Материал подготовил
Максим Коновалов
Наш эксперт
Написано статей
127
А как считаете Вы?
Напишите в комментариях, что вы думаете – согласны
ли со статьей или есть что добавить?
Добавить комментарий