Основные механические свойства металлов и сплавов, особенности их определения
Область применения металлов определяется их основными механическими свойствами. Выделяют много параметров, которые могут использоваться для определения качества стали. Механические свойства металлов и сплавов могут существенно отличаться, что связано с химическим составом, особенностями структуры и тем, была ли проведена термическая обработка. Рассмотрим все особенности механических свойств металлов подробнее.
- Основные механические показатели
- Твердость материала
- Предел прочности
- Предел текучести
Металлы получили широкое применение благодаря тому, что могут обладать различными эксплуатационными характеристиками. Наибольшее распространение получили следующие:
- Твердость определяется несколькими методами при использовании соответствующей оснастки.
- Предел прочности учитывается при производстве различных деталей, которые на момент эксплуатации подвержены воздействию различных нагрузок.
- Упругость — способность металла или сплава возвращать свою форму после того, как на поверхность перестает воздействовать нагрузка. Металлы обладают относительно невысоким показателем упругости.
- Под ударной вязкостью понимают сопротивление материала воздействию ударных нагрузок. Учитывается при производстве деталей, на которые в дальнейшем будет оказываться переменная нагрузка.
- Ползучестью называют свойство металла или сплава к медленной пластичной деформации при воздействии нагрузок. Как правило, параметр проявляется при воздействии высокой температуры, когда начинает перестраиваться кристаллическая решетка.
- Выделяют и усталость металла. Эта характеристика указывает на то, как материал будет разрушаться при воздействии большого числа повторно-переменных нагрузок. Кроме этого, выделяют выносливость — способность материала выдерживать подобные нагрузки.
- Точка плавления. Металлы и сплавы могут переходить из твердого состояния в жидкое при воздействии высокой температуры. Плавка может проходить при различных показателях температуры, которые и называют точной плавления.
Плавка может проходить при различных показателях температуры, которые и называют точной плавления.Рассмотрим некоторые наиболее важные механические показатели, которые указываются в технической литературе.
Твердость материала
Твердость — характеристика, которая определяет способность одного металла сопротивляться проникновению в него другого твердого тела. Этот показатель один из основных, учитывается при производстве различных деталей, инструментов и изделий.
Выделяют несколько методов определения этого показателя:
- По Бринеллю проводится определение твердости поверхности путем плавного увеличения оказываемой нагрузки. Для этого используется стальной шарик, который вдавливается под воздействием
- По Роквуллу тестирование проводится при использовании алмазного конуса стандартного типа. Кроме этого, подходит и шарик диаметром 1,588 мм из закаленной стали. По данному методу показатель твердости получается в определенных единицах измерения.
- По Виккурсу определяют твердость поверхности также при использовании специального алмазного наконечника. Выполнен он в виде пирамиды с четырьмя гранями. Как и при измерении по Бринеллю, на наконечник оказывается давление, после чего измеряется отпечаток и проводятся вычисления показателя твердости.
Измеряется твердость в HB .Высокая твердость часто определяет хрупкость структуры. Существует много различных методов повышения твердости поверхности, большая часть предусматривает выполнение термической и химической обработки.
Предел прочности
Под пределом прочности понимают величину, которая численно равна наибольшей нагрузке, приложенной к образу при растяжении, разделенной на площадь поперечного сечения.
Указывается в кг/мм2.
К особенностям определения этого показателя можно отнести нижеприведенные моменты:
- Для проведения теста используется специальная разрывная машина.
- На момент прикладывания нагрузки может наблюдаться удлинение образца.
- В некоторый момент происходит скачок показателя на растяжение.
После достижения определенного показателя образец начинает удлиняться с большей скоростью. Для более точного определения предела прочности проводится создание графика, на котором и отмечается точка скачка скорости растяжения.
Предел текучести
Практически все металлы и сплавы могут находиться в двух основных агрегатных состояниях: жидком и твердом. Предел текучести — показатель, определяющий напряжение, при котором на момент деформации образца указатель нагрузки на применяемой разрывной машине остается неизменным. Этот показатель учитывается при изготовлении различных заготовок, которые в дальнейшем будут использоваться под нагрузкой.
МЕТАЛЛОВ МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА | Энциклопедия Кругосвет
Содержание статьи- УПРУГАЯ И ПЛАСТИЧЕСКАЯ ДЕФОРМАЦИЯ, РАЗРУШЕНИЕ
- Растяжение.
- Сжатие.
- Твердость.
- Ударная вязкость и хрупкость.
- Усталость.
- Ползучесть.
- КРИСТАЛЛИЧЕСКАЯ СТРУКТУРА
- Скольжение и дислокации.
- Температурные эффекты.
МЕТАЛЛОВ МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА. Когда на металлический образец действует сила или система сил, он реагирует на это, изменяя свою форму (деформируется). Различные характеристики, которыми определяются поведение и конечное состояние металлического образца в зависимости от вида и интенсивности сил, называются механическими свойствами металла.
Интенсивность силы, действующей на образец, называется напряжением и измеряется как полная сила, отнесенная к площади, на которую она действует. Под деформацией понимается относительное изменение размеров образца, вызванное приложенными напряжениями.
УПРУГАЯ И ПЛАСТИЧЕСКАЯ ДЕФОРМАЦИЯ, РАЗРУШЕНИЕ
Если напряжение, приложенное к металлическому образцу, не слишком велико, то его деформация оказывается упругой – стоит снять напряжение, как его форма восстанавливается. Некоторые металлические конструкции намеренно проектируют так, чтобы они упруго деформировались. Так, от пружин обычно требуется довольно большая упругая деформация. В других случаях упругую деформацию сводят к минимуму. Мосты, балки, механизмы, приборы делают по возможности более жесткими. Упругая деформация металлического образца пропорциональна силе или сумме сил, действующих на него. Это выражается законом Гука, согласно которому напряжение равно упругой деформации, умноженной на постоянный коэффициент пропорциональности, называемый модулем упругости: s = eY, где s – напряжение, e – упругая деформация, а Y – модуль упругости (модуль Юнга). Модули упругости ряда металлов представлены в табл. 1.
| Таблица 1 | ||||||
| Металл | Вольфрам | Железо (сталь) | Медь | Алюминий | Магний | Свинец |
| Модуль Юнга, 105 МПа | 3,5 | 2,0 | 1,1 | 0,70 | 0,45 | 0,18 |
Модули упругости металловПользуясь данными этой таблицы, можно вычислить, например, силу, необходимую для того, чтобы растянуть стальной стержень квадратного поперечного сечения со стороной 1 см на 0,1% его длины:
F = YґAґDL/L = 200 000 МПа ґ 1 см
Когда к металлическому образцу прикладываются напряжения, превышающие его предел упругости, они вызывают пластическую (необратимую) деформацию, приводящую к необратимому изменению его формы. Более высокие напряжения могут вызвать разрушение материала.
Важнейшим критерием при выборе металлического материала, от которого требуется высокая упругость, является предел текучести.
У самых лучших пружинных сталей практически такой же модуль упругости, как и у самых дешевых строительных, но пружинные стали способны выдерживать гораздо большие напряжения, а следовательно, и гораздо большие упругие деформации без пластической деформации, поскольку у них выше предел текучести.
Пластические свойства металлического материала (в отличие от упругих) можно изменять путем сплавления и термообработки. Так, предел текучести железа подобными методами можно повысить в 50 раз. Чистое железо переходит в состояние текучести уже при напряжениях порядка 40 МПа, тогда как предел текучести сталей, содержащих 0,5% углерода и несколько процентов хрома и никеля, после нагревания до 950° С и закалки может достигать 2000 МПа.
Когда металлический материал нагружен с превышением предела текучести, он продолжает деформироваться пластически, но в процессе деформирования становится более твердым, так что для дальнейшего увеличения деформации требуется все больше повышать напряжение.
Такое явление называется деформационным или механическим упрочнением (а также наклепом). Его можно продемонстрировать, скручивая или многократно перегибая металлическую проволоку. Деформационное упрочнение металлических изделий часто осуществляется на заводах. Листовую латунь, медную проволоку, алюминиевые стержни можно холодной прокаткой или холодным волочением довести до уровня твердости, который требуется от окончательной продукции.
Растяжение.
Соотношение между напряжением и деформацией для материалов часто исследуют, проводя испытания на растяжение, и при этом получают диаграмму растяжения – график, по горизонтальной оси которого откладывается деформация, а по вертикальной – напряжение (рис. 1). Хотя при растяжении поперечное сечение образца уменьшается (а длина увеличивается), напряжение обычно вычисляют, относя силу к исходной площади поперечного сечения, а не к уменьшенной, которая давала бы истинное напряжение. При малых деформациях это не имеет особого значения, но при больших может приводить к заметной разнице.
На рис. 1 представлены кривые деформация – напряжение для двух материалов с неодинаковой пластичностью. (Пластичность – это способность материала удлиняться без разрушения, но и без возврата к первоначальной форме после снятия нагрузки.) Начальный линейный участок как той, так и другой кривой заканчивается в точке предела текучести, где начинается пластическое течение. Для менее пластичного материала высшая точка диаграммы, его предел прочности на растяжение, соответствует разрушению. Для более пластичного материала предел прочности на растяжение достигается тогда, когда скорость уменьшения поперечного сечения при деформировании становится больше скорости деформационного упрочнения. На этой стадии в ходе испытания начинается образование «шейки» (локальное ускоренное уменьшение поперечного сечения). Хотя способность образца выдерживать нагрузку уменьшается, материал в шейке продолжает упрочняться. Испытание заканчивается разрывом шейки.
Типичные значения величин, характеризующих прочность на растяжение ряда металлов и сплавов, представлены в табл.
| Таблица 2 | ||||
| Металлы и сплавы | Состояние | Предел текучести, МПа | Предел прочности на растяжение, МПа | Удлинение, % |
| Малоуглеродистая сталь (0,2% С) | Горячекатанная | 300 | 450 | 35 |
| Среднеуглеродистая сталь (0,4% С, 0,5% Mn) | Упрочненная и отпущенная | 450 | 700 | 21 |
| Высокопрочная сталь (0,4% С, 1,0% Mn, 1,5% Si, 2,0% Cr, 0,5% Мo) | Упрочненная и отпущенная | 1750 | 2300 | 11 |
| Серый чугун | После литья | – | 175–300 | 0,4 |
| Алюминий технически чистый | Отожженный | 35 | 90 | 45 |
| Алюминий технически чистый | Деформационно-упрочненный | 150 | 170 | 15 |
| Алюминиевый сплав (4,5% Cu, 1,5% Mg, 0,6% Mn) | Упрочненный старением | 360 | 500 | 13 |
| Латунь листовая (70% Cu, 30% Zn) | Полностью отожженная | 80 | 300 | 66 |
| Латунь листовая (70% Cu, 30% Zn) | Деформационно-упрочненная | 500 | 530 | 8 |
| Вольфрам, проволока | Тянутая до диаметра 0,63 мм | 2200 | 2300 | 2,5 |
| Свинец | После литья | 0,006 | 12 | 30 |
Сжатие.
Упругие и пластические свойства при сжатии обычно весьма сходны с тем, что наблюдается при растяжении (рис. 2). Кривая соотношения между условным напряжением и условной деформацией при сжатии проходит выше соответствующей кривой для растяжения только потому, что при сжатии поперечное сечение образца не уменьшается, а увеличивается. Если же по осям графика откладывать истинное напряжение и истинную деформацию, то кривые практически совпадают, хотя при растяжении разрушение происходит раньше.
Твердость.
Твердость материала – это его способность сопротивляться пластической деформации. Поскольку испытания на растяжение требуют дорогостоящего оборудования и больших затрат времени, часто прибегают к более простым испытаниям на твердость. При испытаниях по методам Бринелля и Роквелла в поверхность металла при заданных нагрузке и скорости нагружения вдавливают «индентор» (наконечник, имеющий форму шара или пирамиды). Затем измеряют (часто это делается автоматически) размер отпечатка, и по нему определяют показатель (число) твердости.
Чем меньше отпечаток, тем больше твердость. Твердость и предел текучести – это в какой-то мере сравнимые характеристики: обычно при увеличении одной из них увеличивается и другая.
Может сложиться впечатление, что в металлических материалах всегда желательны максимальные предел текучести и твердость. На самом деле это не так, и не только по экономическим соображениям (процессы упрочнения требуют дополнительных затрат).
Во-первых, материалам необходимо придавать форму различных изделий, а это обычно осуществляется с применением процессов (прокатки, штамповки, прессования), в которых важную роль играет пластическая деформация. Даже при обработке на металлорежущем станке очень существенна пластическая деформация. Если твердость материала слишком велика, то для придания ему нужной формы требуются слишком большие силы, вследствие чего режущие инструменты быстро изнашиваются. Такого рода трудности можно уменьшить, обрабатывая металлы при повышенной температуре, когда они становятся мягче.
Если же горячая обработка невозможна, то используется отжиг металла (медленные нагрев и охлаждение).
Во-вторых, по мере того как металлический материал становится тверже, он обычно теряет пластичность. Иначе говоря, материал становится хрупким, если его предел текучести столь велик, что пластическая деформация не происходит вплоть до тех напряжений, которые сразу же вызывают разрушение. Конструктору обычно приходится выбирать какие-то промежуточные уровни твердости и пластичности.
Ударная вязкость и хрупкость.
Вязкость противоположна хрупкости. Это способность материала сопротивляться разрушению, поглощая энергию удара. Например, стекло хрупкое, потому что оно не способно поглощать энергию за счет пластической деформации. При столь же резком ударе по листу мягкого алюминия не возникают большие напряжения, так как алюминий способен к пластической деформации, поглощающей энергию удара.
Существует много разных методов испытания металлов на ударную вязкость. При использовании метода Шарпи призматический образец металла с надрезом подставляют под удар отведенного маятника.
Работу, затраченную на разрушение образца, определяют по расстоянию, на которое маятник отклоняется после удара. Такие испытания показывают, что стали и многие металлы ведут себя как хрупкие при пониженных температурах, но как вязкие – при повышенных. Переход от хрупкого поведения к вязкому часто происходит в довольно узком температурном диапазоне, среднюю точку которого называют температурой хрупко-вязкого перехода. Другие испытания на ударную вязкость тоже указывают на наличие такого перехода, но измеренная температура перехода изменяется от испытания к испытанию в зависимости от глубины надреза, размеров и формы образца, а также от метода и скорости ударного нагружения. Поскольку ни в одном из видов испытаний не воспроизводится весь диапазон рабочих условий, испытания на ударную вязкость ценны лишь тем, что позволяют сравнивать разные материалы. Тем не менее они дали много важной информации о влиянии сплавления, технологии изготовления и термообработки на склонность к хрупкому разрушению.
Температура перехода для сталей, измеренная по методу Шарпи с V-образным надрезом, может достигать +90° С, но соответствующими легирующими присадками и термообработкой ее можно понизить до -130° С.
Хрупкое разрушение стали было причиной многочисленных аварий, таких, как неожиданные прорывы трубопроводов, взрывы сосудов давления и складских резервуаров, обвалы мостов. Среди самых известных примеров – большое количество морских судов типа «Либерти», обшивка которых неожиданно расходилась во время плавания. Как показало расследование, выход из строя судов «Либерти» был обусловлен, в частности, неправильной технологией сварки, оставлявшей внутренние напряжения, плохим контролем за составом сварного шва и дефектами конструкции. Сведения, полученные в результате лабораторных испытаний, позволили существенно уменьшить вероятность таких аварий. Температура хрупко-вязкого перехода некоторых материалов, например вольфрама, кремния и хрома, в обычных условиях значительно выше комнатной. Такие материалы обычно считаются хрупкими, и придавать им нужную форму за счет пластической деформации можно только при нагреве.
В то же время медь, алюминий, свинец, никель, некоторые марки нержавеющих сталей и другие металлы и сплавы вообще не становятся хрупкими при понижении температуры. Хотя многое уже известно о хрупком разрушении, это явление нельзя еще считать полностью изученным.
Усталость.
Усталостью называется разрушение конструкции под действием циклических нагрузок. Когда деталь изгибается то в одну, то в другую сторону, ее поверхности поочередно подвергаются то сжатию, то растяжению. При достаточно большом числе циклов нагружения разрушение могут вызывать напряжения, значительно более низкие, чем те, при которых происходит разрушение в случае однократного нагружения. Знакопеременные напряжения вызывают локализованные пластическую деформацию и деформационное упрочнение материала, в результате чего с течением времени возникают малые трещины. Концентрация напряжений вблизи концов таких трещин заставляет их расти. Сначала трещины растут медленно, но по мере уменьшения поперечного сечения, на которое приходится нагрузка, напряжения у концов трещин увеличиваются.
При этом трещины растут все быстрее и, наконец, мгновенно распространяются на все сечение детали. См. также РАЗРУШЕНИЯ МЕХАНИЗМЫ.
Усталость, несомненно, является самой распространенной причиной выхода конструкций из строя в условиях эксплуатации. Особенно подвержены этому детали машин, работающие в условиях циклического нагружения. В авиастроении усталость оказывается очень важной проблемой из-за вибрации. Во избежание усталостного разрушения приходится часто проверять и заменять детали самолетов и вертолетов.
Ползучесть.
Ползучестью (или крипом) называется медленное нарастание пластической деформации металла под действием постоянной нагрузки. С появлением воздушно-реактивных двигателей, газовых турбин и ракет стали приобретать все более важное значение свойства материалов при повышенных температурах. Во многих областях техники дальнейшее развитие сдерживается ограничениями, связанными с высокотемпературными механическими свойствами материалов.
При нормальных температурах пластическая деформация устанавливается почти мгновенно, как только прикладывается соответствующее напряжение, и в дальнейшем мало увеличивается.
При повышенных же температурах металлы не только становятся мягче, но и деформируются так, что деформация продолжает нарастать со временем. Такая зависящая от времени деформация, или ползучесть, может ограничивать срок службы конструкций, которые должны длительное время работать при повышенных температурах.
Чем больше напряжения и чем выше температура, тем больше скорость ползучести. Типичные кривые ползучести представлены на рис. 3. После начальной стадии быстрой (неустановившейся) ползучести эта скорость уменьшается и становится почти постоянной. Перед разрушением скорость ползучести вновь увеличивается. Температура, при которой ползучесть становится критической, неодинакова для разных металлов. Предметом забот телефонных компаний является ползучесть подвесных кабелей в свинцовой оболочке, работающих при обычных температурах окружающей среды; в то же время некоторые специальные сплавы могут работать при 800° С, не обнаруживая чрезмерной ползучести.
Срок службы деталей в условиях ползучести может определяться либо предельно допустимой деформацией, либо разрушением, и конструктор должен всегда иметь в виду эти два возможных варианта.
Пригодность материалов для изготовления изделий, рассчитанных на длительную работу при повышенных температурах, например лопаток турбин, трудно оценить заранее. Испытания за время, равное предполагаемому сроку службы, зачастую практически невозможны, а результаты кратковременных (ускоренных) испытаний не так просто экстраполировать на более длительные сроки, поскольку может измениться характер разрушения. Хотя механические свойства жаропрочных сплавов постоянно улучшаются, перед металлофизиками и материаловедами всегда будет стоять задача создания материалов, способных выдерживать еще более высокие температуры. См. также МЕТАЛЛОВЕДЕНИЕ ФИЗИЧЕСКОЕ.
КРИСТАЛЛИЧЕСКАЯ СТРУКТУРА
Выше речь шла об общих закономерностях поведения металлов под действием механических нагрузок. Чтобы лучше понять соответствующие явления, нужно рассмотреть атомное строение металлов. Все твердые металлы – кристаллические вещества. Они состоят из кристаллов, или зерен, расположение атомов в которых соответствует правильной трехмерной решетке.
Кристаллическую структуру металла можно представить как состоящую из атомных плоскостей, или слоев. Когда прикладывается напряжение сдвига (сила, заставляющая две соседние плоскости металлического образца скользить друг по другу в противоположных направлениях), один слой атомов может сдвинуться на целое межатомное расстояние. Такой сдвиг скажется на форме поверхности, но не на кристаллической структуре. Если один слой сдвинется на много межатомных расстояний, то на поверхности образуется «ступенька». Хотя отдельные атомы слишком малы, чтобы их можно было увидеть под микроскопом, ступеньки, образовавшиеся за счет скольжения, хорошо видны под микроскопом и названы линиями скольжения.
Обычные металлические предметы, встречающиеся нам ежедневно, являются поликристаллическими, т.е. состоят из большого числа кристаллов, в каждом из которых своя ориентация атомных плоскостей. Деформация обычного поликристаллического металла имеет с деформацией монокристалла то общее, что она происходит за счет скольжения по атомным плоскостям в каждом кристалле.
Заметное же скольжение целых кристаллов по их границам наблюдается только в условиях ползучести при повышенных температурах. Средний размер одного кристалла, или зерна, может составлять от нескольких тысячных до нескольких десятых долей сантиметра. Желательна более мелкая зернистость, так как механические характеристики мелкозернистого металла лучше, чем у крупнозернистого. Кроме того, мелкозернистые металлы менее хрупки.
Скольжение и дислокации.
Процессы скольжения удалось подробнее исследовать на монокристаллах металлов, выращенных в лаборатории. При этом выяснилось не только то, что скольжение происходит в некоторых определенных направлениях и обычно по вполне определенным плоскостям, но и то, что монокристаллы деформируются при очень малых напряжениях. Переход монокристаллов в состояние текучести начинается для алюминия при 1, а для железа – при 15–25 МПа. Теоретически же этот переход в обоих случаях должен происходить при напряжениях ок. 10 000 МПа. Такое расхождение между экспериментальными данными и теоретическими расчетами на протяжении многих лет оставалось важной проблемой.
В 1934 Тейлор, Полани и Орован предложили объяснение, основанное на представлении о дефектах кристаллической структуры. Они высказали предположение, что при скольжении сначала происходит смещение в какой-то точке атомной плоскости, которое затем распространяется по кристаллу. Граница между сдвинувшейся и несдвинувшейся областями (рис. 4) представляет собой линейный дефект кристаллической структуры, названный дислокацией (на рисунке эта линия уходит в кристалл перпендикулярно плоскости рисунка). Когда к кристаллу прикладывается напряжение сдвига, дислокация движется, вызывая скольжение по плоскости, в которой она находится. После того как дислокации образовались, они очень легко движутся по кристаллу, чем и объясняется «мягкость» монокристаллов.
В кристаллах металлов обычно имеется множество дислокаций (общая длина дислокаций в одном кубическом сантиметре отожженного металлического кристалла может составлять более 10 км). Но в 1952 научные сотрудники лабораторий корпорации «Белл телефон», испытывая на изгиб очень тонкие нитевидные кристаллы («усы») олова, обнаружили, к своему удивлению, что изгибная прочность таких кристаллов близка к теоретическому значению для совершенных кристаллов.
Позднее были обнаружены чрезвычайно прочные нитевидные кристаллы и многих других металлов. Как предполагают, столь высокая прочность обусловлена тем, что в таких кристаллах либо вообще нет дислокаций, либо имеется одна, идущая по всей длине кристалла.
Температурные эффекты.
Влияние повышенных температур можно объяснить, исходя из представлений о дислокациях и зеренной структуре. Многочисленные дислокации в кристаллах деформационно-упрочненного металла искажают кристаллическую решетку и увеличивают энергию кристалла. Когда же металл нагревается, атомы становятся подвижными и перестраиваются в новые, более совершенные кристаллы, содержащие меньше дислокаций. С такой рекристаллизацией и связано разупрочнение, которое наблюдается при отжиге металлов.
Обзор механических свойств металлов
Механические свойства — это способность материала справляться с рядом приложенных внешних сил, таких как касательное напряжение, нагрузка, погодные условия и время. Инженеры-механики могут измерить способность металла сопротивляться сдвигу, растяжению, скручиванию, сжатию или разрушению при заданном наборе условий.
После установления эти механические свойства можно использовать для определения способности материала выдерживать внезапные нагрузки и напряжения, а также его пригодности для конкретных задач. Ниже приводится список наиболее распространенных тестов, проводимых для определения свойств металлов.
Эластичность
Если металл возвращается в исходное состояние после снятия данной нагрузки или давления, говорят, что он упругий. Абсолютное значение или модуль упругости представляет собой отношение между деформацией и напряжением и является мерой «жесткости материала».
Предел упругости
Строительные элементы спроектированы таким образом, чтобы напряжения в материалах находились в безопасных пределах упругих областей их кривых напряжения/деформации, в противном случае они будут постоянно деформироваться.
Предел упругости = Точка, при которой деформация перестает быть упругой.
Предел текучести = Напряжение, при котором материал поддается и начинает пластически деформироваться.
Пробное напряжение = Напряжение при определенной деформации (скажем, 0,1% или 0,2%), где нет четкого предела текучести — указывает на напряжение на пределе эластичности.
Предел текучести
Чтобы найти предел текучести материала, прикладывают возрастающую нагрузку до точки, в которой упругая деформация больше не позволяет материалу вернуться к исходной форме после снятия нагрузки. Это называется пределом текучести и обычно указывается в спецификации материала.
Предел прочности при растяжении
Предел прочности при растяжении указывает на максимальную способность материала поглощать энергию и выдерживать растяжение до того, как он начнет трескаться или ломаться. Он имеет большое значение при обработке технических материалов и является хорошим показателем способности материала сопротивляться разрушению или разрушению. Из-за разнообразия материалов инженерное напряжение рассчитывается путем деления веса (нагрузки), приложенного к металлу, на исходную площадь поперечного сечения.
Инженерная деформация — это смещение (величина растяжения материала), деленная на первоначальную длину материала.
Измерение свойств при растяжении
Машина для испытания на растяжение
Нагрузка, измеряемая электронным датчиком нагрузки
Нагрузка, прикладываемая
- 9 0055 Гидравлика
- Винт
Образцы в форме «собачьей кости» обычно используются для испытаний на растяжение.
Прочность на сжатие
Прочность на сжатие – это способность материала выдерживать нагрузки, действующие при сжатии (в противоположность растяжению). Прочность на сжатие является важным параметром при проектировании конструкций. Измеряется в МПа (согласно приведенному ниже примеру).
Свойства сжатия
E.G. Для бетона:
20 МПа – обычный бетон
25-30 МПа – промышленный пол (более твердый)
40 МПа – специальные инженерные работы
100 МПа – бетон повышенной прочности для колонн высотных зданий
9 0006 Пластичность
Пластичность свойство материала (металла), позволяющее изменять его форму без разрушения металла.
Это позволяет металлу вытягиваться в виде тонкой проволоки и разрешается процентным уменьшением и удлинением площади металла.
Показатели пластичности
Пластичность – это качественное субъективное свойство материала. Обычно он указывает, до какой степени металл может деформироваться без разрушения. Есть два метода, которые можно использовать для получения пластичности при испытаниях на растяжение. Это:
- Инженерная деформация при разрушении, ef, известная как удлинение, где:
- Сокращение площади при изломе, q, где:
Процентное удлинение и уменьшение площади
Как упоминалось выше, оба случая этих испытаний определяют пластичность металла. После того, как испытуемый образец достигает своего предела упругости и ломается, детали точно собираются заново. Измеряют минимальный диаметр и окончательную длину испытуемого образца, а длину и уменьшение площади затем записывают в процентах.
Твердость
Твердость металла является важным свойством, которое позволяет ему сопротивляться проникновению и деформациям, таким как коробление, коробление и скручивание. Твердые материалы также обладают более высокой устойчивостью к процессам механической обработки и формовки. Существует несколько способов определения твердости металла, наиболее распространенными из которых являются тесты Роквелла, Бринелля и Виккерса. Твердость также называют характером или жесткостью.
Прокаливаемость
Прокаливаемость металла обозначает глубину металла, которая может быть закалена до определенной твердости с использованием термического процесса. В то время как твердость означает сопротивление проникновению, прокаливаемость показывает, насколько глубоко металл может проникнуть в результате закалки после закалки от высокой температуры. Глубина закалки играет большую роль в прочности стальной детали.
Хрупкость
Хрупкие материалы легко ломаются с небольшой пластической деформацией при воздействии напряжения.
Даже высокопрочные хрупкие металлы обеспечивают очень низкие значения ударных испытаний и поглощают мало энергии перед разрушением. Это можно показать, подвергнув чугунную заготовку испытанию на удар. Возможными причинами хрупкости металла являются примеси в отливке, крупнозернистая структура или неправильная термическая обработка. Более точную оценку хрупкости можно провести с помощью испытаний на удар по Изоду или Шарпи.
Вязкость
В данном случае ударная вязкость означает способность материала поглощать внезапные удары и ударные нагрузки путем пластической деформации, но не разрушения. В металлургии это относится к количеству поглощенной энергии на единицу объема, которую металл может поглотить до того, как деформация необратимо произойдет в результате разрушения или разрушения. Чтобы иметь требуемый уровень ударной вязкости, металл должен обладать адекватной пластичностью, эластичностью и пределом текучести.
При определенных обстоятельствах на ударную вязкость металла или металлической детали могут серьезно повлиять трещины, канавки, следы инструмента и другие изменения поперечного сечения материала.
При испытании на ударную вязкость «эффект надреза» рассчитывается с использованием испытаний на удар по Шарпи или Изоду и падающий груз при различных температурах, чтобы установить влияние на образец. Металл, который имеет тенденцию быстро терять свою ударную вязкость при более низких температурах, разрушится при более легкой нагрузке.
Пластичность
Пластичность, также известная как пластичность, — это способность материала превращаться во что-то еще, не ломаясь. Глина для лепки — один из примеров материала с превосходной пластичностью. В металлургии мягкую сталь (низкоуглеродистую сталь), особенно при нагревании, можно легко придать различным формам. Чугун, с другой стороны, практически не имеет пластичности.
Свяжитесь с нами здесь, в Technoweld, для обучения, инспекции, консультации и наблюдения за процедурами сварки. Мы также можем исследовать и документировать процедуры сварки для ваших конкретных процессов сварки, а также запускать процедуры.
Механические свойства материалов, металлов [Полное руководство]
В этой статье вы подробно узнаете о механических свойствах материалов и металлов.
Содержание
Механическое свойство связано с поведением материалов или металлов, когда они подвергаются воздействию внешних сил или нагрузок. Это характеристика, которая указывает на изменения, происходящие в металле.
Эти механические свойства учитываются при проектировании компонентов машин. Компонент будет хорошо работать во время использования только в том случае, если он разработан с учетом всех механических свойств.
Поведение материалов при внешних нагрузках называется механическими свойствами материалов.
Наиболее важными и полезными механическими свойствами являются;
1. Стресс.
2. Штамм.
3. Удлинение.
4. Сокращение.
5. Эластичность.
6. Пластичность.
7. Прочность.
8. Ударная вязкость.
9. Предел текучести.
10. Жесткость.
11. Прочность.
12. Твердость.
13. Хрупкость.
14. Пластичность.
15. Пластичность.
16. Усталость.
17. Ползучесть.
Здесь вы подробно изучите все вышеперечисленные механические свойства металлов и материалов.
1. Прочность.
Это механическое свойство металла, которое обеспечивает устойчивость к внешней силе, или это способность или способность выдерживать различные нагрузки без деформации или разрушения.
Следовательно, это максимальное сопротивление, обеспечиваемое материалом при воздействии на него внешней нагрузки.
Чем прочнее материал, тем большую нагрузку он может выдержать.
В случае с металлами очень важна прочность, поскольку металлы должны выдерживать большие нагрузки. Это означает, что металлы не должны подвергаться сильным нагрузкам и деформироваться.
Если металлы обладают высокой прочностью, они могут выдерживать различные нагрузки.
Различные нагрузки, которые могут воздействовать на металлические компоненты станка:
1. Растяжение,
2. Сжатие,
3. Сдвиг,
4. Изгиб,
5. Кручение и т. д.,
и их соответствующие силы включают;
1. Прочность на растяжение,
2. Прочность на сжатие,
3. Прочность на сдвиг.
4. Прочность на изгиб,
5. Прочность на кручение и т. д.
Некоторые металлы и их сплавы обладают высокой прочностью на единицу массы, что делает их полезными материалами для переноски тяжелых грузов или сопротивления любым повреждениям, вызванным ударными нагрузками .
В зависимости от типа прикладываемой нагрузки прочность может быть на растяжение, сжатие, сдвиг или кручение. Материал может быть нагружен за счет нагрева, внутренней структуры, типа нагружения и т. д.
Максимальное напряжение, которое может выдержать любой материал до разрушения, называется пределом прочности.
2. Ударная вязкость.
Это то свойство металла, которое придает ему способность выдерживать удары, толчки или внезапные нагрузки.
Когда ударная нагрузка прикладывается в пределах предела упругости материала, эта энергия поглощается материалом и отдается при снятии нагрузки, как в случае с пружинными материалами.
Это свойство в пределах предела упругости известно как упругость.
Однако ударной вязкостью является его способность выдерживать нагрузки вплоть до разрыва. Иногда ударная нагрузка приводит к выходу из строя металлического компонента.
Ударные нагрузки могут быть сдвиговыми, сжимающими или растягивающими.
Ударную вязкость можно измерить с помощью теста Шарпи или Изода.
Испытание по Шарпи измеряет способность металла выдерживать приложенную ударную нагрузку, а испытание по Изоду измеряет нагрузку, необходимую для разрыва металлического компонента.
3. Эластичность.
Свойство металла и его способность возвращаться к своей форме и размеру после снятия нагрузки или восстанавливать исходное положение или форму и размер при снятии приложенной нагрузки называется эластичностью.
Большинство компонентов имеют соответствующую эластичность; в противном случае компоненты машины будут деформированы при воздействии на них нагрузок.
Большинство металлов имеют лучшую эластичность, например, термообработанные пружины и катушки из стали, меди, алюминия и т. д.
Однако некоторые металлы неэластичны; они обладают такими свойствами, как хрупкость и твердость. Эластичность — это свойство материала при растяжении.
Наибольшее напряжение, которое материал может выдержать без какой-либо остаточной деформации, называется пределом упругости.
4. Жесткость (жесткость).
Сопротивление материала прогибу называется жесткостью или жесткостью, или это свойство металла, благодаря которому он сопротивляется деформации, когда он находится в пределах предела упругости.
Металлы с более высокой жесткостью могут очень мало деформироваться или вообще не деформируются.
Чтобы понять жесткость, необходимо измерить модуль упругости или модуль Юнга для соответствующего металла, поскольку он является мерой жесткости при нагрузках на растяжение и сжатие.
Модуль жесткости используется для сдвиговых нагрузок, а объемный модуль упругости — для объемной деформации.
Сталь жестче или жестче, чем алюминий.
Жесткость измеряется с помощью модуля Юнга (E). Чем выше значение модуля Юнга, тем жестче материал.
5. Пластичность.
Свойство металла, придающее ему способность неупруго деформироваться; без разрушения они не восстанавливают свою первоначальную форму и размер при снятии приложенной нагрузки.
В этом случае материал подвергается некоторой остаточной деформации без разрушения. Пластичность обратна эластичности.
При холодной и горячей обработке металлов металл подвергается остаточной деформации даже после завершения процесса.
Например, сталь деформируется при нагревании докрасна и не восстанавливает свою первоначальную форму и размер. Точно так же свинец, глина и т. д. были бы пластичными при комнатной температуре.
Пластичность полезна в нескольких механических процессах, таких как формование, формование, экструдирование и многих других процессах горячей и холодной обработки.
Как правило, пластичность увеличивается с повышением температуры и является благоприятным свойством материала для процессов вторичной формовки.
Благодаря этим свойствам различный металл можно трансформировать в разные изделия нужной формы и размера. Это преобразование в желаемую форму и размер осуществляется либо путем приложения давления, тепла, либо того и другого.
6. Твердость.
Твердость материала является мерой пластической деформации и сопротивлением любой пластической деформации. Твердость указывает на прочность материала.
Способность материала сопротивляться царапанию, истиранию, вдавливанию или проникновению.
Прямо пропорциональна пределу прочности при растяжении и измеряется на специальных машинах для определения твердости путем измерения сопротивления материала проникновению индентора специальной формы и материала при заданной нагрузке.
Существуют различные шкалы твердости: твердость по Бринеллю, твердость по Роквеллу, твердость по Виккеру и т. д.
Твердость металла не имеет прямого отношения к способности металла к упрочнению. Способность к закалке характеризует степень твердости, которую металл может приобрести в процессе закалки. т. е. нагревание или закалка.
7. Пластичность.
Свойство материала или металла, которое представляет собой пластическую деформацию под нагрузкой растяжения или позволяет вытягивать его в проволоку или удлинять.
Без разрыва при растягивающей нагрузке.
Металлы, используемые для производства станков, должны обладать значительной пластичностью; это противоположность хрупкости.
Различные металлы, такие как сталь, стальные сплавы, мягкая сталь, медь, алюминий, олово, цинк и т. д., являются примерами хороших пластичных материалов.
Золото, серебро, медь, алюминий и т. д. могут быть вытянуты экструзией или протягиванием через отверстие в матрице благодаря свойству пластичности.
Пластичность уменьшается с повышением температуры. Процентное удлинение и уменьшение площади растяжения часто используются в качестве эмпирических показателей пластичности.
8. Пластичность.
Свойство материала или металла, которое представляет собой пластическую деформацию под сжимающей нагрузкой, или свойство металла, которое позволяет ему сворачиваться в тонкие листы или пластины.
Металлы, используемые для изготовления деталей станков, должны обладать достаточной ковкостью из-за изменения размера и формы металла при изготовлении деталей в соответствии с проектом.
Различные металлы, такие как медь, алюминий, золото, кованое железо, стальные сплавы, мягкая сталь и т. д., являются примерами хороших ковких материалов.
9. Прочность.
Это способность поглощать энергию вплоть до разрушения или разрушения, или ударная вязкость – это способность материала сопротивляться любым деформациям вследствие изгиба, скручивания, кручения и т. д.
Измеряется испытанием на удар.
Сталь и стальные сплавы, такие как марганцевая сталь, кованое железо, мягкая сталь и т. д., как правило, все пластичные материалы являются прочными материалами.
10. Хрупкость.
Это свойство материала, которое указывает на разрушение без заметной деформации и противоположно ударной вязкости и пластичности.
Хрупкий материал очень легко выходит из строя или ломается даже при приложении очень небольшой нагрузки.
Чугун, стекло и т. д. являются хрупкими материалами, используемыми в технике.
Детали станков не должны обладать хрупкостью или иметь очень низкую хрупкость; в противном случае они сломаются или выйдут из строя.
11. Усталость.
Усталость представляет собой склонность к разрушению при циклических нагрузках или неспособность выдерживать повторяющиеся и/или непрерывные приложения и снятие нагрузок или циклических нагрузок.
Усталость – это продолжительный эффект повторяющихся деформаций из-за приложения и снятия напряжения, из-за которого материал ломается или ломается.
Компоненты станков должны выдерживать такую усталостную нагрузку, и это необходимо учитывать при проектировании компонентов станков, высокоскоростных авиационных двигателей и турбин, где они должны обеспечивать длительный срок службы при циклических нагрузках.
12. Ползучесть.
Ползучесть представляет собой медленную и прогрессирующую деформацию во времени при постоянном напряжении или разрушение или деформацию материала под действием постоянного напряжения при высокой температуре в течение определенного периода времени.
В случае ременных передач, двигателей внутреннего сгорания и т.