Свойство материала сопротивляться разрушению под действием внутренних. Интересные и нужные сведения о строительных материалах и технологиях. Понятие механических свойств металлов

Глава XIV
ДЕФОРМАЦИИ И НАПРЯЖЕНИЯ ПРИ СВАРКЕ

§ 72. Механические свойства металлов и сплавов

Металлы в отличие от неметаллов имеют следующие характерные признаки: внешний блеск, хорошую проводимость теплоты и электрического тока, достаточно высокую прочность, хорошую ковкость и свариваемость, кристаллическое строение тела, определенную температуру плавления и кристаллизации.
Металлы и сплавы классифицируют по числу, содержанию и характеру легирующих компонентов и по степени чистоты. Компонентом называют химический элемент, входящий в состав металла или сплава. Компоненты подразделяют на основные и легирующие. Основным называют компонент, который преобладает в металле или сплаве, легирующим - компонент, вводимый в состав сплава для получения необходимых свойств.
По числу компонентов металлы разделяют на простые металлы и металлические сплавы. Простым металлом называют металл, не содержащий в себе легирующих компонентов, металлическим сплавом называют сложное кристаллическое вещество, в составе которого имеется несколько металлов и металлоидов. Сплавы бывают двух-, трех- и более компонентными.
По содержанию легирующих компонентов сплавы делят на низко-, средне- и высоколегированные. Низколегированным называют сплав, содержащий в своем составе легирующих компонентов менее 2,5%, среднелегированным - 2,5-10%, высоколегированным - более 10%.
По степени чистоты металлы и сплавы делят на металлы пониженной, средней, повышенной, высокой чистоты и особо чистые.
К механическим свойствам металлов и сплавов относятся: прочность, твердость, упругость, пластичность, ударная вязкость, ползучесть и усталость.

Рис. 76. Виды нагрузок, вызывающих изменение формы металла или cплава

Прочность - это способность металла или сплава противостоять деформации и разрушению под действием приложенных нагрузок - растягивающих, сжимающих, изгибающих, скручивающих и срезающих (рис. 76). Нагрузки бывают внешними (вес, давление и др.) и внутренними (изменение размеров тела от нагревания и охлаждения, изменение структуры металла и т. д.), а также статическими, т. е. постоянными по величине и направлению действия, или динамическими, т. е. переменными по величине, направлению и продолжительности действия. Методы определения прочности рассмотрены отдельно.
Твердостью называется способность металла или сплава оказывать сопротивление проникновению в него другого, более твердого тела. Применяют следующие способы испытания твердости металлов и сплавов вдавливанием в поверхность образца:
стального закаленного шарика диаметром 2,5; 5 или 10 мм - определение твердости по Бринеллю;
стального закаленного шарика диаметром 1,588 мм или алмазного конуса с углом 120° - определение твердости по Роквеллу;
правильной четырехгранной алмазной пирамиды – определение твердости по Виккерсу.
Упругостью называется способность металла или сплава восстанавливать первоначальную форму после прекращения действия внешней нагрузки (рис. 77).

Рис. 77. Деформация, характеризующая упругость (после снятия нагрузки образец возвращается в исходное положение)

Пластичностью называется способность металла или сплава, не разрушаясь, изменять форму под действием нагрузки и сохранять эту форму после ее снятия.
Ударной вязкостью называется способность металла или сплава сопротивляться действию ударных нагрузок. Ударная вязкость измеряется в кгс м/см 2 (Дж/м 2).
Ползучестью называется свойство металла или сплава медленно и непрерывно пластически деформироваться под действием постоянной нагрузки (особенно при повышенных температурах).
Усталостью называется постепенное разрушение металла или сплава при большом числе повторно-переменных нагрузок; свойство выдерживать эти нагрузки называется выносливостью.
Испытания образцов металлов и сплавов на растяжение. При испытании образцов на растяжение определяют предел прочности (временное сопротивление) σв, предел текучести (физический) σ т, предел текучести условный (технический) σ 0,2 , предел пропорциональности σпц, истинное сопротивление разрыву S к и относительное удлинение и сужение δ, φ.

Рис. 78. Диаграмма растяжения (зависимость удлинения ∆l от нагрузки Р)

Рассмотрим показанную на рис. 78 диаграмму, на которой по вертикальной оси отложена приложенная нагрузка Р в килограммах (чем выше точка по оси, тем больше нагрузка), а по горизонтальной оси - абсолютное удлинение ∆l образца. Такие диаграммы строят по результатам растяжения образцов на специальных испытательных разрывных машинах. Полученная кривая позволяет судить о прочности образца на растяжение.
Начальный прямолинейный участок 0-Р пц характеризует упругость образца, пропорциональность между удлинением материала и нагрузкой (Р пц - нагрузка при пределе пропорциональности).
Точка Р׳ т резкого перегиба кривой определяет величину нагрузки при верхнем пределе текучести. Участок Р׳ т -Р т (площадка текучести), параллельный горизонтальной оси 0-∆l, в пределах которого образец удлиняется при постоянной внешней нагрузке.
Точка Р в отмечает наибольшую растягивающую силу - нагрузку при пределе прочности, по которой рассчитывают предел прочности материала образца.
Точка Р к определяет величину растягивающей силы в момент разрушения образца.
Предел прочности при растяжении (временное сопротивление) - это напряжение, отвечающее наибольшей нагрузке, предшествовавшей разрушению образца: σ в =P в /F 0 , где F 0 - площадь поперечного сечения образца перед испытанием, мм 2 (м 2); Р в - наибольшая растягивающая сила, кгс (Н).
Предел текучести (физический) - это наименьшее напряжение, при котором происходит деформация испытуемого образца без увеличения нагрузки (нагрузка не увеличивается, а образец удлиняется): σт=P т /F 0 , где Р т – нагрузка растяжения, вызывающая удлинение образца на площадке текучести, кгс (Н).
Предел текучести условный (технический) σ 0,2 – это напряжение, при котором остаточная деформация образца достигает 0,2%: σ 0,2 = Р׳ т /F 0 , где Р т - нагрузка растяжения в начале площадки текучести, кгс (Н).
Предел пропорциональности σ пц - условное напряжение, при котором отступление от линейной зависимости между напряжениями и деформациями достигает определенной степени, устанавливаемой техническими условиями: σ пц =Р пц /F 0 , где Р пц - нагрузка в конце площадки упругости, кгс (Н).
Истинное сопротивление разрыву - это напряжение в шейке растягиваемого образца, определяемое как отношение растягивающей силы, действующей на образец непосредственно перед его разрывом, к площади поперечного сечения образца в шейке: Sк=P к /F, где Р к - нагрузка в момент разрыва образца, кгс (Н); F - истинное сечение образца в момент разрыва, мм 2 (м 2).
Относительное удлинение δ и относительное сужение – φ определяются по формулам: δ=∆l/l 0 ∙100%, φ=(F 0 -F)/F∙100%, где ∆l=l 1 -l 0 - абсолютное удлинение образца при разрыве; l 1 - длина образца в момент разрыва; l 0 - первоначальная длина образца; F 0 – первоначальная площадь поперечного сечения образца; F - площадь образца после разрыва.

Механические свойства материалов

совокупность показателей, характеризующих сопротивление материала воз действующей на него нагрузке, его способность деформироваться при этом, а также особенности его поведения в процессе разрушения. В соответствии с этим М. с. м. измеряют напряжениями (обычно в кгс/мм 2 или Мн/м 2 ), деформациями (в %), удельной работой деформации и разрушения (обычно в кгс ․м/см 2 или Мдж/м 2 ), скоростью развития процесса разрушения при статической или повторной нагрузке (чаще всего в мм за 1 сек или за 1000 циклов повторений нагрузки, мм/кцикл ). М. с. м. определяются при механических испытаниях образцов различной формы.

В общем случае материалы в конструкциях могут подвергаться самым различным по характеру нагрузкам (рис. 1 ): работать на Растяжение , сжатие, Изгиб , Кручение , срез и т. д. или подвергаться совместному действию нескольких видов нагрузки, например растяжению и изгибу. Также разнообразны условия эксплуатации материалов и по температуре, окружающей среде, скорости приложения нагрузки и закону её изменения во времени. В соответствии с этим имеется много показателей М. с. м. и много методов механических испытаний. Для металлов и конструкционных пластмасс наиболее распространены испытания на растяжение, Твёрдость , ударный изгиб; хрупкие конструкционные материалы (например, керамику, металлокерамику) часто испытывают на сжатие и статический изгиб; механические свойства композиционных материалов важно оценивать, кроме того, при испытаниях на сдвиг.

Диаграмма деформации. Приложенная к образцу нагрузка вызывает его деформацию (См. Деформация). Соотношения между нагрузкой и деформацией описываются т. н. диаграммой деформации (рис. 2 ). Вначале деформация образца (при растяжении - приращение длины Δl ) пропорциональна возрастающей нагрузке Р , затем в точке n эта пропорциональность нарушается, однако для увеличения деформации необходимо дальнейшее повышение нагрузки Р ; при Δl > Δl в деформация развивается без приложения усилия извне, при постепенно падающей нагрузке. Вид диаграммы деформации не меняется, если по оси ординат откладывать напряжение

(F 0 и l 0 - соответственно начальная площадь поперечного сечения и расчётная длина образца).

Сопротивление материалов измеряется напряжениями, характеризующими нагрузку, приходящуюся на единицу площади поперечного сечения образца

в кгс/мм 2 . Напряжение

при котором нарушается пропорциональный нагрузке рост деформации, называется пределом пропорциональности. При нагрузке Р Р n разгрузка образца приводит к исчезновению деформации, возникшей в нём под действием приложенного усилия; такая деформация называется упругой. Небольшое превышение нагрузки относительно Р n может не изменить характера деформации - она по-прежнему сохранит упругий характер. Наибольшая нагрузка, которую выдерживает образец без появления остаточной пластической деформации при разгрузке, определяет предел упругости материала:

Упругие свойства. В упругой области напряжение и деформация связаны коэффициентом пропорциональности. При растяжении σ = Еδ, где Е - т. н. модуль нормальной упругости, численно равный тангенсу угла наклона прямолинейного участка кривой σ = σ(δ) к оси деформации (рис. 2 ). При испытании на растяжение цилиндрического или плоского образца одноосному (σ 1 >0; (σ 2 = σ 3 = 0) напряжённому состоянию соответствует трёхосное деформированное состояние (приращение длины в направлении действия приложенных сил и уменьшение линейных размеров в двух других взаимно перпендикулярных направлениях): δ 1 >0; δ 2 = δ 3

в пределах упругости для основных конструкционных материалов колеблется в довольно узких пределах (0,27-0,3 для сталей, 0,3-0,33 для алюминиевых сплавов). Коэффициент Пуассона является одной из основных расчётных характеристик. Зная μ и Е , можно расчётным путём определить и модуль сдвига

Сопротивление пластической деформации. При нагрузках Р > Р в наряду со всё возрастающей упругой деформацией появляется заметная необратимая, не исчезающая при разгрузке пластическая деформация. Напряжение, при котором остаточная относительная деформация (при растяжении - удлинение) достигает заданной величины (по ГОСТ - 0,2 %), называется условным пределом текучести и обозначается

Практически точность современных методов испытания такова, что σ п и σ е определяют с заданными допусками соответственно на отклонение от закона пропорциональности [увеличение ctg(90 - α) на 25-50 %] и на величину остаточной деформации (0,003-0,05 %) и говорят об условных пределах пропорциональности и упругости. Кривая растяжения конструкционных металлов может иметь максимум (точка в на рис. 2 ) или обрываться при достижении наибольшей нагрузки Р в ’ . Отношение

характеризует временное сопротивление (предел прочности) материала. При наличии максимума на кривой растяжения в области нагрузок, лежащих на кривой левее в , образец деформируется равномерно по всей расчётной длине l 0 , постепенно уменьшаясь в диаметре, но сохраняя начальную цилиндрическую или призматическую форму. При пластической деформации металлы упрочняются, поэтому, несмотря на уменьшение сечения образца, для дальнейшей деформации требуется прикладывать всё возрастающую нагрузку. σ в, как и условные σ 0,2 , σ n и σ е, характеризует сопротивление металлов пластической деформации. На участке диаграммы деформации правее в форма растягиваемого образца изменяется: наступает период сосредоточенной деформации, выражающейся в появлении «шейки». Уменьшение сечения в шейке «обгоняет» упрочнение металлов, что и обусловливает падение внешней нагрузки на участке Р в - P k .

У многих конструкционных материалов сопротивление пластической деформации в упруго-пластической области при растяжении и сжатии практически одинаково. Для некоторых металлов и сплавов (например, магниевые сплавы, высокопрочные стали) характерны заметные различия по этой характеристике при растяжении и сжатии. Сопротивление пластической деформации особенно часто (при контроле качества продукции, стандартности режимов термической обработки и в др. случаях) оценивается по результатам испытаний на твёрдость путём вдавливания твёрдого наконечника в форме шарика (твёрдость по Бринеллю или Роквеллу), конуса (твёрдость по Роквеллу) или пирамиды (твёрдость по Виккерсу). Испытания на твёрдость не требуют нарушения целостности детали и потому являются самым массовым средством контроля механических свойств. Твёрдость по Бринеллю (HB) при вдавливании шарика диаметром D под нагрузкой Р характеризует среднее сжимающее напряжение, условно вычисляемое на единицу поверхности шарового отпечатка диаметром d :

Характеристики пластичности. Пластичность при растяжении конструкционных материалов оценивается удлинением

(где h 0 и h k - начальная и конечная высота образца), при кручении - предельным углом закручивания рабочей части образца Θ, рад или относительным сдвигом γ = Θr (где r - радиус образца). Конечная ордината диаграммы деформации (точка k на рис. 2 ) характеризует сопротивление разрушению металла S k , которое определяется

(F k - фактическая площадь в месте разрыва).

Характеристики разрушения. Разрушение происходит не мгновенно (в точке k ), а развивается во времени, причём начало в разрушения может соответствовать какой-то промежуточной точке на участке вк , а весь процесс заканчиваться при постепенно падающей до нуля нагрузке. Положение точки к на диаграмме деформации в значительной степени определяется жёсткостью испытательной машины и иннерционностью измерительной системы. Это делает величину S k в большой мере условной.

Многие конструкционные металлы (стали, в том числе высокопрочные, жаропрочные хромоникелевые сплавы, мягкие алюминиевые сплавы и др.) разрушаются при растяжении после значительной пластической деформации с образованием шейки. Часто (например, у высокопрочных алюминиевых сплавов) поверхность разрушения располагается под углом примерно 45° к направлению растягивающего усилия. При определенных условиях (например, при испытании хладноломких сталей в жидком азоте или водороде, при воздействии растягивающих напряжений и коррозионной среды для металлов, склонных к коррозии под напряжением) разрушение происходит по сечениям, перпендикулярным растягивающей силе (прямой излом), без макропластической деформации.

Прочность материалов, реализуемая в элементах конструкций, зависит не только от механических свойств самого металла, но и от формы и размеров детали (т. н. эффекты формы и масштаба), упругой энергии, накопленной в нагруженной конструкции, характера действующей нагрузки (статическая, динамическая, периодически изменяющаяся по величине), схемы приложения внешних сил (растяжение одноосное, двухосное, с наложением изгиба и др.), рабочей температуры, окружающей среды. Зависимость прочности и пластичности металлов от формы характеризуется т. н. чувствительностью к надрезу, оцениваемой обычно по отношению пределов прочности надрезанного и гладкого образцов

(у цилиндрических образцов надрез обычно выполняют в виде круговой выточки, у полос - в виде центрального отверстия или боковых вырезов). Для многих конструкционных материалов это отношение при статической нагрузке больше единицы, что связано со значительной местной пластической деформацией в вершине надреза. Чем острее надрез, тем меньше локальная пластическая деформация и тем больше доля прямого излома в разрушенном сечении. Хорошо развитый прямой излом можно получить при комнатной температуре у большинства конструкционных материалов в лабораторных условиях, если растяжению или изгибу подвергать образцы массивного сечения (тем толще, чем пластичнее материал), снабдив эти образцы специальной узкой прорезью с искусственно созданной трещиной (рис. 3 ). При растяжении широкого, плоского образца пластическая деформация затруднена и ограничивается небольшой областью размером 2r y (на рис. 3 , б заштрихована), непосредственно примыкающей к кончику трещины. Прямой излом обычно характерен для эксплуатационных разрушений элементов конструкций.

Широкое распространение получили предложенные американским учёным Дж. Р. Ирвином в качестве констант для условий хрупкого разрушения такие показатели, как критический коэффициент интенсивности напряжений при плоской деформации K 1C и вязкость разрушения

При этом процесс разрушения рассматривается во времени и показатели K 1C (G 1C ) относятся к тому критическому моменту, когда нарушается устойчивое развитие трещины; трещина становится неустойчивой и распространяется самопроизвольно, когда энергия, необходимая для увеличения её длины, меньше энергии упругой деформации, поступающей к вершине трещины из соседних упруго напряжённых зон металла.

При назначении толщины образца t и размеров трещины 2l тр исходят из следующего требования

Коэффициент интенсивности напряжений К учитывает не только значение нагрузки, но и длину движущейся трещины:

(λ учитывает геометрию трещины и образца), выражается в кгс/мм 3/2 или Мн/м 3/2 . По K 1C или G 1C можно судить о склонности конструкционных материалов к хрупкому разрушению в условиях эксплуатации.

Для оценки качества металла весьма распространены испытания на ударный о изгиб призматических образцов, имеющих на одной стороне надрез. При этом оценивают ударную вязкость (См. Ударная вязкость) (в кгс ․м/см 2 или Мдж/м 2 ) - работу деформации и разрушения образца, условно отнесённую к поперечному сечению в месте надреза. Широкое распространение получили испытания на ударный изгиб образцов с искусственно полученной в основании надреза трещиной усталости. Работа разрушения таких образцов а ту находится в целом в удовлетворительном соответствии с такой характеристикой разрушения, как K 1C , и ещё лучше с отношением

Временна́я зависимость прочности. С увеличением времени действия нагрузки сопротивление пластической деформации и сопротивление разрушению понижаются. При комнатной температуре у металлов это становится особенно заметным при воздействии коррозионной (коррозия под напряжением) или др. активной (эффект Ребиндера) среды. При высоких температурах наблюдается явление ползучести (См. Ползучесть), т. е. прироста пластической деформации с течением времени при постоянном напряжении (рис. 4 , а). Сопротивление металлов ползучести оценивают условным пределом ползучести - чаще всего напряжением, при котором пластическая деформация за 100 ч достигает 0,2 %, и обозначают его σ 0,2/100 . Чем выше температура t , тем сильнее выражено явление ползучести и тем больше снижается во времени сопротивление разрушению металла (рис. 4 , б). Последнее свойство характеризуют т. н. пределом длительной прочности, т. е. напряжением, которое при данной температуре вызывает разрушение материала за заданное время (например, σ t 100 , σ t 1000 и т. д.). У полимерных материалов температурно-временная зависимость прочности и деформации выражена сильнее, чем у металлов. При нагреве пластмасс наблюдается высокоэластическая обратимая деформация; начиная с некоторой более высокой температуры развивается необратимая деформация, связанная с переходом материала в вязкотекучее состояние. С ползучестью связано и др. важное механическое свойство материалов - склонность к релаксации напряжений, т. е. к постепенному падению напряжения в условиях, когда общая (упругая и пластическая) деформация сохраняет постоянную заданную величину (например, в затянутых болтах). Релаксация напряжений обусловлена увеличением доли пластической составляющей общей деформации и уменьшением её упругой части.

Если на металл действует нагрузка, периодически меняющаяся по какому-либо закону (например, синусоидальному), то с увеличением числа циклов N нагрузки его прочность уменьшается (рис. 4 , в) - металл «устаёт». Для конструкционной стали такое падение прочности наблюдается до N = (2-5) ․10 6 циклов. В соответствии с этим говорят о пределе усталости конструкционной стали, понимая под ним обычно амплитуду напряжения

ниже которой сталь при повторно-переменной нагрузке не разрушается. При |σ min | = |σ max | предел усталости обозначают символом σ -1 . Кривые усталости алюминиевых, титановых и магниевых сплавов обычно не имеют горизонтального участка, поэтому сопротивление усталости этих сплавов характеризуют т. н. ограниченными (соответствующими заданному N ) пределами усталости. Сопротивление усталости зависит также от частоты приложения нагрузки. Сопротивление материалов в условиях низкой частоты и высоких значений повторной нагрузки (медленная, или малоцикловая, усталость) не связано однозначно с пределами усталости. В отличие от статической нагрузки, при повторно-переменных нагрузках всегда проявляется чувствительность к надрезу, т. е. предел усталости при наличии надреза ниже предела усталости гладкого образца. Для удобства чувствительность к надрезу при усталости выражают отношением

характеризует асимметрию цикла). В процессе уставания можно выделить период, предшествующий образованию очага усталостного разрушения, и следующий за ним, иногда довольно длительный, период развития трещины усталости. Чем медленнее развивается трещина, тем надёжнее работает материал в конструкции. Скорость развития трещины усталости dl/dN связывают с коэффициентом интенсивности напряжений степенной функцией:

Лит.: Давиденков Н. Н., Динамические испытания металлов, 2 изд., Л. - М., 1936; Ратнер С. И., Разрушение при повторных нагрузках, М., 1959; Серенсен С. В., Когаев В. П., Шнейдерович Р. М., Несущая способность и расчеты деталей машин на прочность, 2 изд., М., 1963; Прикладные вопросы вязкости разрушения, пер. с англ., М., 1968; Фридман Я. Б., Механические свойства металлов, 3 изд., М., 1974; Методы испытания, контроля и исследования машиностроительных материалов, под ред. А. Т. Туманова, т. 2, М., 1974.

С. И. Кишкина.

Рис. 3. Образец со специально созданной в вершине надреза трещиной усталости для определения K 1C . Испытания на внецентренное (а) и осевое (б) растяжение.

Большая советская энциклопедия. - М.: Советская энциклопедия . 1969-1978 .

Смотреть что такое "Механические свойства материалов" в других словарях:

Механические свойства материалов, такие как прочность, сопротивление разрушению, твёрдость и др. являются во многих случаях определяющими для принятия решения о применении материала. Методы проверки механических свойств Следует отметить следующие … Википедия

Материалов реакция материала на приложенные механич. нагрузки. Осн. характеристиками механич. свойств являются напряжения и деформации. Напряжения характеристики сил, к рые относят к единице сечения образца материала или изделия, конструкции из… … Физическая энциклопедия

Материалов, такие как прочность, сопротивление разрушению, твёрдость и др. являются во многих случаях определяющими для принятия решения о применении материала. Методы проверки механических свойств Следует отметить следующие основные методы… … Википедия

Механические свойства - – отражают способность материала сопротивляться силовым, тепловым, усадочным или другим внутренним напряжениям без нарушения установившейся структуры. К механическим относят деформативные свойства: прочность, твердость, истираемость,… …

Механические свойства горной породы - – свойства, характеризующие возникновение, распределение и изменение механических напряжений и деформаций в горной породе при воздействии механических нагрузок. [ГОСТ Р 50544 93] Рубрика термина: Свойства горной породы Рубрики энциклопедии … Энциклопедия терминов, определений и пояснений строительных материалов

Свойства материалов - Термины рубрики: Свойства материалов Агрегация материала Активация материалов Активность вещества Анализ вещественный … Энциклопедия терминов, определений и пояснений строительных материалов

СВОЙСТВА МАТЕРИАЛОВ - совокупность показателей, характеризующих все стороны материала. Различают следующие свойства материалов (например, для металлов): механические, физические (плотность, тепловые, электрические, магнитные и тому подобные свойства), химические… … Металлургический словарь

Классификация видов разрушения деталей. В практике эксплуатации машин и оборудования встречаются разнообраз­ные повреждения деталей.

Наблюдения за отказами деталей машин в эксплуатации позволяют все виды разрушения материалов деталей разделить на три основные группы:

деформация и изломы; 2) износ; 3) химико-тепловые повреждения.

Деформация и изломы происходят при напряжениях, превышающих предел текучести или предел прочности материала детали.

Изнашивание происходит в результате взаимодействия трущихся тел. Характер трущихся тел и условия их взаимодействия обусловливают особен­ности процесса изнашивания.

Химико-тепловые повреждения - результат комплексного воздействия на рабочие поверхности деталей факторов, среди которых факторы теплового воздействия превалируют.

Деформация и изломы. Деформация материала детали происходит в результате приложения нагрузки и выражается изменением формы и размеров детали.

Эти изменения могут быть временными (упругие деформации, исчезающие после снятия на­грузки), или остаточными (пластические деформации, остающиеся после снятия нагрузки). Повреждения деталей происходят в результате пластической де­формации и выражаются в виде изгибов, вмятин и скручиваний.

При изгибах и вмятинах нарушается геометрическая форма деталей в результате приложения в основном динамических нагрузок.

Скручивание деталей вызывается приложением крутящего момента, превосходящего расчетный.

Излом материала детали также происходит в результате приложения нагрузки и выражается в разрушении детали.

В зависимости от характера нагружения рассматривают статический, ди­намический и усталостный изломы.

Статический излом является результатом воздействия значи­тельных местных нагрузок. Чаще всего он наблюдается в наиболее нагруженных местах в деталях корпусов в виде трещин, особенно в деталях, изготовленных из чугуна.

Динамический излом является следствием сильных поверхност­ных ударов и часто наблюдается на литых деталях.

Хрупкий излом характеризуется полным отсутствием или весьма незначительной величиной пластических деформаций. Причинами хрупкого излома чаще всего служат хладноломкость материала детали, наличие концентраторов напряжений в опасном сечении и мгновенное приложение нагрузки.

Вязкий излом обусловлен наличием макропластической деформации. Разрушение материала детали при вязком изломе - результат резкого возрастания приложенной статической нагрузки. Вязкий излом появляется в результате превышения предела текучести материала детали.

Однако наиболее часто причиной выхода детали из строя является усталостный излом, в основе которого лежит явление усталости, т.е. разрушение материала под влиянием циклических напряжений, действующих в течение определенного времени. Свойство материала детали, характеризующей ее способность сопротивляться усталостному разрушению, называют выносливостью. Установлено, что усталостные изломы возникают при напряжениях ниже предела текучести. Процесс начинается с зарождения усталостной трещины, появлению которой способствует наличие концентратора напряжений или какого-либо микродефекта в опасном сечении детали. Возникнув, усталостная трещина под действием циклической нагрузки распространяется в глубь детали, что приводит в конечном итоге к ее разрушению. Практика показала, что разрушение вооружения шарошек буровых долот начинается с появления усталостных трещин.

Износ. Износ деталей - основной дефект, приводящий к выходу машин из строя Другие виды повреждений деталей менее распространены в эксплуатации бурового и нефтегазопромыслового оборудования. Поэтому всестороннее изучение явлений изнашивания и их причин чрезвычайно важно.

Трение - сопротивление, возникающее при взаимном перемещении соприкасающихся поверхностей тел.

В зависимости от кинематических признаков относительного перемещения тел чаще всего встречаются два вида трения: трение скольжения и трение качения.

В зависимости от состояния трущихся поверхностей различают:

Трение без смазки - трение двух твердых тел при отсутствии на поверхности трения введенного смазочного материала всех видов;

Граничное трение - тре­ние двух твердых тел при наличии на поверхности трения слоя жидкости, обладающего свойствами, отличающи­мися от объемных;

Жидкостноетрение-явление сопротивления относительному перемещению, возникающее между двумя телами, разделенными слоем жидкости, в котором проявляются ее объемные свойства.

На процессы трения влияют механические, физико-химические, тепловые и электрические факторы. Различное сочетание этих факторов приводит к многообразию видов изнашивания.

Изнашивание - процесс постепенного изменения размеров тела при тре­нии, проявляющийся в отделении с поверхности трения материала и (или) его остаточной деформации.

Износ - результат изнашивания, проявляющегося в виде отделения или остаточной деформации материала.

Гидродинамическое давление смазки, развивающееся вследствие движения ее в пространстве между цапфой и подшипником, уравновешивает внешнее давление на цапфу. Поскольку площади поперечных сечений этого простран­ства в радиальном направлении различны, щель приобретает форму клина.

При движении смазки отдельные ее слои перемещаются с различными ско­ростями по отношению друг к другу, поэтому возникает жидкостное трение.

Закон жидкостного трения можно представить следующей формулой:

где F - сопротивление трения, кгс; µ - абсолютная вязкость смазки, кгс с/м 2 ; Q - площадь трущихся поверхностей, м 2 ; v - относительная скорость скольжения, м/с; h - толщина слоя смазки, м.

На основе этого закона и ряда экспериментов получена формула, устана­вливающая условия, при которых обеспечивается всплывание цапфы:

h=
(3.2)

где h min - толщина слоя масла в самом тонком месте, мм; п - частота враще­ния вала, об/мин; d - диаметр цапфы, мм; I - длина цапфы, мм; S - наиболь­ший зазор в состоянии покоя, мм;

Для нормальной работы деталей, как это следует из формулы (3.2), главное значение имеют величина первоначального зазора и качество смазки. Осуществить постоянство условий для обеспечения жидкостного трения невозможно, так как при запуске машины цапфа переходит из нижнего положения в верхнее; при полужидкостном трении, что приводит к изнашиванию сопряженной пары. Такое же положение возникает при изменениях режима работы машины и ocoбенно при ее перегрузке, когда снижается скорость вращения

Классификация видов изнашивания. Механическое изнашивание - изнашивание в результате механических воздействий. В свою очередь механическое изнашивание подразделяется на: абразивное, гидроабразивное, газоабразивное, эрозионное, усталостное и кавитационное.

Абразивное изнашива­ние механическое изнашивание материала в результате режущего или царапающего действия твердых тел или частиц.

Очень опасен износ поверхностей твердыми подвижными частицами, по­падающими между трущимися поверх­ностями (например, с загрязненной смазкой). Абразивное изнашивание по­верхности деталей происходит при бу­рении скважин, резании грунтов, дроблении камня, перемешивании твер­дых смесей, а также при буксовании колеса по поверхности дороги.

Абразивная эрозия, гидро- и газоабразивное изнашивание - основной вид изнашивания деталей насосов, трубопроводов, арматуры, дымососов, вен­тиляторов, эжекторов, пескоструйных аппаратов в результате воздействия твердых тел или частиц, увлекаемых по­током жидкости или газа.

При усталостном изнашивании поверхности трения илиотдельных ее участков повторное деформирование микрообъемов материала приводит к возникновению трещин и отделению частиц. Это особенно проявляется при трении качения: шарик или ролик, перемещаясь по поверхности кольца подшипника, гонит перед собой волну сжатия материала, а сзади создает зону растяжения. Многократно повторяющиеся знакопеременные нагрузки вызывают явления контактной усталости.

Усталостное изнашивание часто является одной из причин выхода из строя основнойопоры вертлюга, основной и вспомогательной опор ротора, шестерен бурового насоса иротора, а также элементов подшипников скольжения, в ко­торых выкрашивается антифрикционный слой баббитовых и бронзовых вкла­дышей.

Кавитационное изнашивание поверхности происходит при относительном движении твердого тела в жидкости в условиях кавитации.

При неправильно выбранном режиме работы гидравлической машины в потоке жидкости могут образоваться пузырьки пара или газа, ликвидация которых происходит бурно с гидравлическими ударами. Кавитационное изнашивание во много раз активнее других видов изнашивания.

Факторы, влияющие на изнашивание деталей. На процесс изнашивания рабочих поверхностей деталей машин оказывают влияние различных факторов, которые можно разделить на две группы:

1) факторы, влияющие на износостойкость деталей;

2) факторы, влияющие на изнашиваемость деталей.

Под изнашиваемостью в данном случае подразумевается свойство мате­риала детали поддаваться изнашиванию. Изнашиваемость есть свойство, противоположное износостойкости.

Факторы, влияющие на износостойкость деталей: качество ма­териала детали и качество рабочей поверхности детали.

К факторам, влияющим на изнашиваемость деталей, относятся: вид трения сопряженных деталей; характер и величина удельных нагрузок на поверхностях трения; относительные скорости перемещения трущихся по­верхностей; форма и размер зазора между сопряженными поверхностями; усло­вия смазки трущихся поверхностей; наличие, размер и форма абразива, участ­вующего в процессе трения, и физико-механические свойства абразива.

Качество материала детали характеризуется его физико-механическими свойствами (прочностью, твердостью, вязкостью), которые в свою очередь определяются химическим составом и структурой.

Из физико-механических свойств, твердость оказывает наибольшее влияние на износостойкость материала. Более твердые металлы и сплавы изнашиваются медленнее. Твердые металлы по сравнению с мягкими менее пластичны и ока­зывают большее сопротивление внедрению абразивных частиц. Исследования показали, что с увеличением твердости стали ее износостойкость повышается.

При выборе материала для деталей, работающих при ударной нагрузке, кроме твердости, следует учитывать еще их вязкость во избежание повышения хрупкости. Детали, изготовленные из малоуглеродистых конструкционных или легированных сталей и подвергнутые поверхностной химико-термической обработке, имеют высокую твердость и износостойкость рабочих поверхностей, а также высокую вязкость сердцевины.

На износостойкость металлов и сплавов большое влияние оказывает их химический состав и структура.

Наиболее износостойкий сплав - сталь, имеющая мелкозернистую струк­туру. Чем выше содержание углерода в стали, тем больше ее износостойкость. Введением в сталь добавок кремния, марганца, хрома, никеля, вольфрама и молибдена повышается ее износостойкость, благодаря образованию химиче­ских соединений легирующих элементов с углеродом и твердых растворов с железом, обладающих весьма высокой твердостью. Перечисленные легирующие элементы при термической обработке обеспечивают получение мелкозернистой структуры.

На износостойкость чугуна оказывает значительное влияние структура основы: серые чугуны с перлитной структурой изнашиваются в 1,5-2 раза меньше, чем чугуны с ферритной структурой. Большое влияние оказывает также форма и характер распределения графитовых включений, являющихся более слабой составляющей структуры, и снижающих износостойкость чугуна. Износостойкость серого чугуна возрастает с повышением содержания связанного углерода. Легирующие присадки - никель, хром, молибден (с последующей термической обработкой) - повышают прочность и износостойкость чугунных деталей. Наиболее износостойкими считаются чугуны с содержанием никеля 1,2-1,5% и хрома 0,4-0,5%. Увеличение износостойкости деталей из легированных чугунов наблюдается также при поверхностной закалке их paбочих поверхностей нагревом токами высокой частоты, а также при использовании азотирования. Так, износостойкость азотированных гильз ДВС в 2-2,5 раза выше износостойкости гильз, изготовленных из хромистого чугуна.

Следующим важным фактором, влияющим на износостойкость деталей машин, является качество поверхности трения после механиче­ской обработки. Качество обработанной поверхности характеризуется совокупностью геометрических параметров и физико-механических свойств по­верхностного слоя материала.

К геометрическим параметрам относятся макрогеометрия, волнистость, шероховатость и направление штрихов (рисок), т.е. следов обработки поверхности.

Физико-механические свойства обусловливаются структурой, микротвердостью, величиной наклепа, видом остаточных напряжений, харак­тером взаимодействия со смазкой и т.д.

Литература: 1 осн. , 3 осн. , 7 доп.

Контрольные вопросы:

1. Каковы причины появления естественного износа?

2. Чем отличаются друг от друга виды трения?

3. Что такое усталостное разрушение?

4. Какие методы повышения долговечности деталей существуют?

Закон Гука

Как известно, различные металлы и сплавы имеют разные механичес­кие и технологические свойства, которые предопределяют качество дета­лей машин, а также обрабатываемость металла. Эти свойства металла выявляют соответствующими испытаниями на растяжение, сжатие, изгиб, твердость и др.

Испытание на растяжение. Чтобы определить прочность металла, работающего на растяжение, изготовляют образец 1 и устанавливают его в зажимы (или захваты) 2 разрывной машины. Для этих целей чаще всего ис­пользуют машины с гидравлической системой передачи усилия или с вин­товой системой.

Растягивающая сила F (рис. 51) создает напряжение в испытываемом об­разце и вызывает его удлинение. Когда напряжение превысит прочность об­разца, он разорвется.

Рис. 51

Результаты испытания обычно изображают в виде диаграммы. По оси абсцисс откладывают нагрузку F, по оси ординат - абсолютное удлине­ние?l.

Из диаграммы видно, что вначале образец удлиняется пропорционально нагрузке. Прямолинейный участок OA соответствует обратимым, упругим деформациям. При разгрузке образец принимает исходные размеры (этот процесс описывается все тем же прямолинейным участком кривой). Ис­кривленный участок АС соответствует необратимым, пластическим дефор­мациям. При разгрузке (штриховая прямая СВ) образец не возвращается к начальным размерам и сохраняет некоторую остаточную деформацию.

От точки С образец удлиняется без увеличения нагрузки. Горизонталь­ный участок СМ диаграммы называется площадкой текучести. Напряжение, при котором происходит рост деформаций без увеличения нагрузки, называется пределом текучести.

Как показывают исследования, текучесть сопровождается значительными взаимными сдвигами кристаллов, в результате чего на поверхности образца по­являются линии, наклонные к оси образца под углом 45°. Претерпев состояние текучести, материал снова обретает способность сопротивляться растяжению (упрочняется), и диаграмма за точкой М поднимается вверх, хотя гораздо бо­лее полого, чем раньше. В точке D напряжение образца достигает своей наи­большей величины, и на образце появляется резкое местное сужение, так назы­ваемая шейка. Площадь сечения шейки быстро уменьшается и, как следст­вие, происходит разрыв образца, что на диаграмме соответствует положению точки К. Предел прочности образца определяют по формуле о пч = F D / S, где: S пч - предел прочности;

F D - нагрузка, при которой через определенный промежуток време­ни наступает разрушение растянутого образца, Н (кгс); S - площадь поперечного сечения образца в исходном положении, м 2 (мм 2).

Обычно при испытании различных металлов и сплавов на растяжение определяют относительное удлинение е - отношение прироста длины об­разца до разрыва к начальной длине образца. Его определяют по формуле? = ?l/l 0 -100,

где: ? - относительное удлинение;

L = l 1 - I 0 - абсолютное удлинение; l 0 - начальная длина образца; l 1 - длина образца после испытания. Экспериментально было установлено, что напряжение в материале при упругой деформации возрастает пропорционально относительному удлине­нию образца. Эта зависимость получила название закона Г у к а.

Для одностороннего (продольного) растяжения закон Гука имеет вид о = Е-?,

где: о = F/s - нормальное напряжение; F - растягивающая сила; s - площадь поперечного сечения;

Относительное удлинение;

Е - постоянная величина, зависящая от материала стержня.

Примечание. В системе СИ единицей измерения напряжений служит Пас­каль - напряжение, вызванное силой 1 ньютон (Н), равномерно распределенной по нормальной к ней поверхности площадью 1 м 2 .

1 Па = 0,102 10 -4 кгс/см 2 ;

1 Па = 0,102 10 -6 кгс/мм 2 ;

1 кгс/см 2 = 9,81 10 4 Па;

1 кгс/мм 2 = 9,81 10 6 Па.

В связи с тем, что единица напряжения паскаль очень мала, приходится пользо­ваться более крупной единицей - мегапаскаль 1 МП а = 10 6 Па.

Госстандарт допускает к применению единицу ньютон на квадрат­ный миллиметр (Н/мм 2). Числовые значения напряжений, выраженные в Н/мм 2 и в МПа, совпадают. Единица Н/мм 2 удобна и потому, что размеры на чер­тежах проставляют в миллиметрах.

Коэффициент пропорциональности Е называется модулем упругости при растяжении или модулем Юнга. Каков физический смысл моду­ля упругости? Обратимся к диаграмме растяжения образца (см. рис. 51, II). Модуль упругости на ней пропорционален тангенсу угла наклона а к оси аб­сцисс. Значит, чем круче прямая OA, тем жестче материал, и тем большее сопротивление оказывает он упругой деформации.

Для характеристики металла важно знать не только относительное удли­нение?, но и относительное сужение площади поперечного сечения, кото­рое также позволяет характеризовать пластичность материала.

Естественно, что при растяжении образца площадь поперечного сечения уменьшается. В месте разрыва она будет наименьшей. Относительное суже­ние определяют по формуле? = (S 0 - S 1) / S 0 100%,

где: ? - относительное сужение;

S 0 - площадь поперечного сечения образца до испытания; S 1 - площадь сечения образца в месте разрыва (в шейке).

Чем больше относительное удлинение и относительное сужение попереч­ного сечения образца, тем более пластичен материал.

Кроме трех рассмотренных характеристик механических свойств метал­лов: предела прочности (o пч), относительного удлинения (е) и относитель­ного сужения (?), можно определить, пользуясь записанной на машине ди­аграммой, предел упругости (о y) и предел текучести (о m),

Испытание на сжатие. Для испытания металлов на сжатие (рис. 53) чаще всего применяют прессы, в которых сжимающая сила образуется путем увеличения гидравлического давления. При сжатии образца из плас­тичного материала, например малоуглеродистой стали (рис. 53, I), его по­перечные размеры увеличиваются, в то время как длина значительно уменьшается. Нарушение целостности образца при этом не происходит (рис. 54). Из диаграммы сжатия (рис. 53, II) видно, что в начальной стадии нагружения деформация возрастает пропорционально нагрузке, затем де­формация резко возрастает при незначительном увеличении на­грузки, далее рост деформации постепенно замедляется вследст­вие увеличения сечения образца.

Рис. 52

Рис. 53

Образцы из хрупких материалов при сжатии разрушаются (рис. 54, III). Например, стержень из чугуна при достижении разруша­ющей нагрузки распадается на части, которые сдвигаются относительно друг друга по косым площадкам (рис. 53, III).

Рис. 54

Для сжатия полностью применим закон Гука, согласно которому мате­риалы противодействуют сжатию пропорционально приложенной силе до предела упругости. Модуль упругости при сжатии для большинства мате­риалов равен модулю упругости при растяжении. Исключение составля­ют только некоторые хрупкие материалы - бетон, кирпич и т. д. Анало­гия в характере напряжения сжатия с напряжением растяжения позволяет описывать эти процессы одними и теми же математическими уравнени­ями.

Испытание на изгиб . При испытании на изгиб образец (брус) укла­дывают концами на две опоры и в середине нагружают (рис. 55). О сопро­тивлении материала изгибу судят по величине прогиба образца.

Рис. 55

Представим теперь себе в брусе воображаемые продольные волокна. При деформации изгиба волокна одной зоны сжимаются, другой - растягива­ются (рис. 55, II).

Между зонами сжатия и растяжения расположен нейтральный слой, во­локна которого не подвергаются деформации, то есть их длина не изменяет­ся. Из рис. 55 видно, что, чем больше волокна расположены от нейтрально­го слоя, тем большую деформацию они испытывают. Таким образом, мож­но сделать вывод, что при изгибе в поперечных сечениях бруса под действи­ем внутренних сил возникают нормальные напряжения сжатия и растяже­ния, величина которых зависит от положения рассматриваемых точек в се­чении. Наибольшие напряжения принято обозначать: в зоне сжатия - ? max , в зоне растяжения - ? m ах. В точках, расположенных на нейтраль­ной оси, напряжения равны нулю. Нормальные напряжения, возникающие в различных по высоте точках поперечного сечения, возрастают пропорци­онально расстоянию от нейтрального слоя и могут быть рассчитаны по фор­муле? = (Е z) / р,

где: ? - нормальные напряжения;

z - расстояние от интересующего нас волокна до нейтрального слоя; Е - модуль упругости; р - радиус кривизны нейтрального слоя.

Испытание на срез. При испытании на срез (рис. 56) металличес­кий образец 3, имеющий цилиндрическую форму, вставляют в отверстие приспособления, представляющего собой вилку 1 и диск 2. Машина вы­тягивает диск из вилки, вследствие чего происходит перемещение сред­ней части образца относительно крайних его частей. Рабочая площадь S (площадь среза) равна удвоенной площади поперечного сечения образца, так как срез происходит одно­временно по двум плоско­стям.

Рис. 56

При срезе все точки дефор­мируемых сечений, ограни­ченных плоскостями действу­ющих сил, смещаются на рав­ные расстояния, то есть мате­риал в этих точках испытыва­ет одинаковую деформацию. Это означает, что во всех точ­ках сечения будут одинако­вые действующие напряже­ния.

Величину напряжения оп­ределяют делением равнодействующей F внутренних (поперечных) сил на площадь поперечного сечения стержня S. Так как вектор напряжения рас­положен в плоскости сечения, в ней возникает касательное напряжение, определяемое по формуле r ср = F/2S, где: r ср - величина напряжения среза;

F - равнодействующая сила;

S - площадь поперечного сечения образца. Срез - это разрушение в результате сдвига одной части материала отно­сительно другой, возникающее под действием касательных напряжений. Для деформации сдвига справедлив закон Гука: в зоне упругости напряже­ния прямо пропорциональны относительным деформациям. Коэффициен­том пропорциональности служит величина модуля упругости при сдвиге G. Относительный сдвиг (угол сдвига) обозначается у. Таким образом, закон Гука для деформации сдвига имеет вид t = Gg, где: r = F/S - касательное напряжение; F - касательная сила; S - площадь сдвигающихся слоев; y - угол сдвига;

G - модуль сдвига, зависящий от материала тела.

Испытание на кручение. При испытании образцов на кручение один конец трубы 2 закрепляют неподвижно 1, другой вращают с помо­щью рычага 3 (рис. 57). Кручение характеризуется взаимным поворотом поперечных сечений стержня, вала, трубы под влиянием моментов (пар сил), действующих в этих сечениях. Если на поверхности стержня до приложения сил кручения нанести прямолинейные образующие (рис. 57, I), то после скручивания эти образующие принимают вид винтовых линий, а каждое поперечное сечение по отношению к соседнему повора­чивается на некоторый угол (см. рис. 57, II). Это значит, что в каждом сечении происходит деформация сдвига и возникают касательные на­пряжения. Степень смещения материала при кручении определяется уг­лами закручивания? и сдвига у. Абсолютная величина кручения опре­деляется углом закручивания рассматриваемого сечения относительно неподвижно закрепленного сечения. Наибольший угол закручивания получается на самом большом расстоянии от закрепленного конца стержня.

Рис. 57

Отношение угла закручивания? к длине участка I, подвергающегося кручению, называют относительным углом закручива­ния Q = ? / Z,

где: Q - относительный угол закручивания;

Угол закручивания;

Испытание на твердость. При опре­делении твердости материалов в завод­ской и лабораторной практике пользу­ются двумя методами: методом Бринелля и методом Роквелла.

Метод Бринелля. Этот метод основан на том, что при измерении твердости металлов стальной шарик 1 диаметром 2,5; 5 или 10 мм вдавливает­ся в поверхность испытуемого образца 2 при заданной нагрузке 3 от 625 Н до 30 кН (62,5 до 3000 кгс). После удаления нагрузки измеряется диаметр d отпе­чатка, оставшегося на поверхности об­разца (рис. 58), который тем меньше, чем тверже металл.

Рис. 58

Примечание. Стальной шарик должен быть выполнен из термически обрабо­танной стали твердостью не менее НВ850. Шероховатость поверхности R z не ни­же параметра 0,100 по ГОСТ 2789-73. На поверхности шарика не должно быть де­фектов, видимых с помощью лупы при 5-кратном увеличении.

Число твердости по Бринеллю вычисляются по формуле

D - диаметр шарика, мм;

d - диаметр отпечатка, мм.

Специальная таблица (ГОСТ 9012-59) дает возможность определить твер­дость наиболее распространенных металлов.

Следует отметить, что между твердостью стали по Бринеллю НВ и преде­лом ее прочности о пч для обычных углеродистых стилей существует соот­ношение, выраженное формулой о пч = 0,36 НВ.

Следовательно, зная твердость стали по Бринеллю, можно вычислить и предел прочности при растяжении.

Эта формула имеет большое практическое значение. Методом Бринел­ля обычно определяют твердость незакаленных сталей, чугуна, цветных металлов. Твердость же закаленных сталей измеряют на приборе Рок­велла.

Метод Роквелла. При измерении твердости металлов по этому методу наконечник стандартного типа (алмазный конус для твердых ме­таллов или стальной шарик - для более мягких) вдавливается в испыту­емый образец под действием двух последовательно прилагаемых нагру­зок: предварительной (F 0) 100 Н (10 кгс) и окончательной (F 1) 1000 Н (100 кгс) - для шарика и 1500 Н (150 кгс) - для алмазного конуса.

Под действием предварительной нагрузки конус проникает в металл на глубину h 0 (рис. 59,I); при добавлении к предварительной основной нагруз­ки глубина отпечатка увеличивается до h (рис. 59, II) и после снятия основ­ной нагрузки остается равной h 1 (рис. 59, III).

Рис. 59

Глубина отпечатка h = h 1 - h 0 , полученная за счет основной нагрузки F 1 , характеризует твердость по Роквеллу. Испытания по методу Роквелла производят специальными приборами, снабженными индикатором, который показывает число твердости сразу по окончании испытания.

Индикатор имеет две шкалы: черную (С) для испытания алмазным кону­сом и красную (В) для испытания шариком.

Твердость по Роквеллу измеряется в условных единицах.

Пример обозначения твердости по Роквеллу: HRC50 (твердость 50 по шкале С).

Определение твердости тарированными на­пильниками . Твердость HRC может быть определена с помощью ряда напильников, подвергнутых термической обработке на различную твер­дость насечки. Обычно интервал насечек колеблется от 3 до 5 единиц HRC. Тарирование напильников производится по эталонным плиткам, твердость которых заранее точно определена на приборе.

Твердость испытуемой детали Определяется двумя напильниками с ми­нимальным интервалом по твердости, один из которых может только сколь­зить по детали, а второй ее слегка царапать. Если напильник с НRС62 цара­пает металл, а с HRC59 только скользит по поверхности детали, то твер­дость HRC60-61.

Практически этим способом пользуются для установления твердости ин­струментов (разверток, фрез и т. п.), твердость которых измерить иным спо­собом бывает трудно.

Существуют и другие способы определения твердости (способ Виккерса, эле­ктромагнитные способы и др.), которые в данной книге не рассматриваются.

Чтобы оценить эксплуатационные свойства изделий и определить физические и механические характеристики материалов, используются различные инструкции, ГОСТы и другие регламентирующие и рекомендательные документы. Рекомендуются и методы испытаний на разрушение целой серии изделий или однотипных образцов материала. Это не слишком экономичный метод, но эффективный.

Определение характеристик

Основные характеристики механических свойств материалов следующие.

1. Временное сопротивление или предел прочности - та сила напряжения, которая зафиксирована при наибольшей нагрузке перед разрушением образца. Механические характеристики прочности и пластичности материалов описывают свойства твёрдых тел сопротивляться необратимым изменениям формы и разрушению под влиянием внешних нагрузок.

2. Условным называется напряжение, когда остаточная деформация достигнет 0,2% длины образца. Это наименьшее напряжение в то время, как образец продолжает деформироваться без заметного увеличения нагрузок.

3. Пределом длительной прочности называют наибольшее напряжение, при данной температуре вызывающее в течение определённого времени разрушение образца. Определение механических характеристик материалов ориентируется на предельные единицы длительной прочности - разрушение происходит при 7 000 градусах по Цельсию за 100 часов.

4. Условным пределом ползучести называется напряжение, вызывающее при данной температуре за определённое время в образце заданное удлинение, а также скорость ползучести. Пределом считается деформация металла за 100 часов при 7 000 градусах по Цельсию на 0,2%. Ползучестью называется определённая скорость деформации металлов при постоянном нагружении и высокой температуре в течение длительного времени. Жаропрочность - это сопротивление материала разрушению и ползучести.

5. Пределом выносливости называют наибольшее значение напряжения цикла, когда усталостного разрушения не происходит. Число циклов нагружения может быть заданное или произвольное, в зависимости от того, как запланированы механические испытания материалов. Механические характеристики включают в себя усталость и выносливость материала. Под действием нагрузок в цикле накапливаются повреждения, образуются трещины, приводящие к разрушению. Это усталость. А свойство сопротивления усталости - выносливость.

Растяжение и сжатие

Материалы, которые применяются в инженерной практике, разделяются на две группы. Первая - пластичные, для разрушения которых должны появиться значительные остаточные деформации, вторая - хрупкие, разрушающиеся при очень малых деформациях. Естественно, такое деление весьма условно, потому что каждый материал в зависимости от создаваемых условий может повести себя и как хрупкий, и как пластичный. Это зависит от характера состояния напряжения, от температуры, от скорости деформирования и других факторов.

Механические характеристики материалов при растяжении и сжатии красноречивы и у пластичных, и у хрупких. Например, малоуглеродистую сталь испытывают растяжением, а чугун - сжатием. Чугун - хрупкий, сталь - пластична. Хрупкие материалы имеют большую сопротивляемость при сжатии, при деформации растяжения - хуже. Пластичные имеют примерно одинаковые механические характеристики материалов при сжатии и растяжении. Однако определяется их порог всё-таки растяжением. Именно этими способами можно более точно узнать механические характеристики материалов. Диаграмма растяжения и сжатия представлена в иллюстрациях к данной статье.

Хрупкость и пластичность

Что же такое пластичность и хрупкость? Первое - это способность не разрушаться, получая остаточные деформации в больших количествах. Такое свойство является решающим для важнейших технологических операций. Изгиб, волочение, вытяжка, штамповка и многие другие операции зависят от характеристик пластичности. К пластичным материалам относятся отожжённая медь, латунь, алюминий, малоуглеродистая сталь, золото и тому подобные. Гораздо менее пластичны бронза и дюраль. Совсем слабо пластичны почти все легированные стали.

Характеристики прочности пластичных материалов сопоставляют с пределом текучести, о котором будет сказано ниже. На свойства хрупкости и пластичности большое влияние оказывают температура и скорость нагружения. Быстрое натяжение придаёт материалу хрупкость, а медленное - пластичность. Например, стекло - материал хрупкий, но оно выдерживает длительное воздействие нагрузки, если температура нормальная, то есть показывает свойства пластичности. А пластична, однако при ударной резкой нагрузке проявляется как материал хрупкий.

Метод колебаний

Физико-механические характеристики материалов определяются возбуждением продольных, изгибных, крутильных и других, ещё более сложных а зависимости от размеров образцов, форм, типов приёмника и возбудителя, способов крепления и схем приложения динамических нагрузок. Крупногабаритные изделия тоже подлежат испытаниям с помощью данного метода, если существенно изменить методику применения в способах приложения нагрузки, возбуждения колебаний и регистрации их. Этим же методом определяются механические характеристики материалов, когда нужно оценить жёсткость крупногабаритных конструкций. Однако при локальном определении в изделии характеристик материала этот способ не используется. Практическое применение методики возможно только тогда, когда известны геометрические размеры и плотность, когда возможно закрепление изделия на опорах, а на самом изделии - преобразователей, нужны определённые температурные условия и т.д.

Например, при смене температурных режимов происходит то или иное изменение, механические характеристики материалов при нагревании становятся другими. Практически все тела в этих условиях расширяются, что влияет на их структуру. Любое тело имеет те или иные механические характеристики материалов, из которых оно состоит. Если по всем направлениям эти характеристики не изменяются и остаются одинаковыми, такое тело называют изотропным. Если же физико-механические характеристики материалов изменяются - анизотропным. Последнее является характерной чертой практически всех материалов, просто в разной степени. Но есть, например, стали, где анизотропность весьма незначительна. Наиболее ярко она выражена в таких естественных материалах, как дерево. В производственных условиях определяют механические характеристики материалов посредством контроля качества, где используются различные ГОСТЫ. Оценка неоднородности получается из статистической обработки, когда суммируются результаты испытаний. Образцы должны быть многочисленными и вырезанными из конкретной конструкции. Такой способ получения технологических характеристик считается довольно трудоёмким.

Акустический метод

Акустических методов для того, чтобы определить механические свойства материалов и их характеристики, достаточно много, и все они отличаются способами ввода, приёма и регистрации колебаний в синусоидальном и импульсном режимах. Используются акустические методы при исследовании, например, строительных материалов, их толщины и напряжённости состояния, при дефектоскопии. Механические характеристики конструкционных материалов также определяются с помощью акустических методов. Сейчас уже разрабатываются и серийно выпускаются многочисленные разнообразные электронные акустические приборы, которые позволяют регистрировать упругие волны, параметры их распространения как в синусоидальном, так и в импульсном режиме. На их основе определяются механические характеристики прочности материалов. Если используются упругие колебания малой интенсивности, этот метод становится абсолютно безопасным.

Недостатком акустического метода является необходимость акустического контакта, который далеко не всегда возможен. Поэтому работы эти не слишком производительны, если нужно срочно получить механические характеристики прочности материалов. Огромное влияние на результат оказывает состояние поверхности, геометрические формы и размеры исследуемого изделия, а также среда, где проводятся испытания. Чтобы преодолеть эти сложности, конкретную задачу нужно решать строго определённым акустическим методом или, напротив, использовать их сразу несколько, это зависит от конкретной ситуации. Например, стеклопластики хорошо поддаются такому исследованию, поскольку хорошая скорость распространения упругих волн, а потому широко используется сквозное прозвучивание, когда приёмник и излучатель располагаются на противоположных поверхностях образца.

Дефектоскопия

Методы дефектоскопии применяются для контроля за качеством материалов в различных областях промышленности. Бывают неразрушающие и разрушающие методы. К неразрушающим относятся следующие.

1. Для определения трещин на поверхностях и непроваров применяется магнитная дефектоскопия . Участки, которые имеют такие дефекты, характеризуются полями рассеивания. Обнаружить их можно специальными приборами или же просто наложить слой магнитного порошка на всю поверхность. На местах дефектов расположение порошка будет меняться уже при наложении.

2. Дефектоскопия проводится и с помощью ультразвука . Направленный луч будет по-разному отражаться (рассеиваться), если даже глубоко внутри образца имеются какие-нибудь несплошности.

3. Дефекты в материале хорошо показывает радиационный метод исследования , основанный на разнице в поглощении излучения средой различной плотности. Используется гамма-дефектоскопия и рентген.

4. Химическая дефектоскопия. Если поверхность протравить слабым раствором азотной, соляной кислоты или их смесью (царская водка), то в местах, где есть дефекты, проявляется сеточка в виде чёрных полосок. Можно применить метод, при котором снимаются серные отпечатки. В местах, где материал неоднороден, сера должна менять цвет.

Разрушающие методы

Разрушающие методы здесь уже частично разобраны. Образцы испытывают на изгиб, сжатие, растяжение, то есть применяются статические разрушающие методы. Если же изделие испытывают переменными циклическими нагрузками на ударный изгиб - определяются динамические свойства. Макроскопические методы рисуют общую картину строения материала и в больших объёмах. Для такого исследования нужны специально шлифованные образцы, которые подвергаются травлению. Так, можно выявить форму и расположение зёрен, например, в стали, наличие кристаллов с деформацией, волокона, раковины, пузыри, трещины и прочие неоднородности сплава.

Микроскопическими методами изучается микроструктура и выявляются мельчайшие пороки. Образцы таким же образом предварительно шлифуют, полируют и потом подвергают травлению. Дальнейшее испытание предполагает использование электрических и оптических микроскопов и рентгеноструктурного анализа. Основой этого метода служит интерференция лучей, которые рассеиваются атомами вещества. Контролируется характеристика материала с помощью анализа рентгенограммы. Механические характеристики материалов определяют их прочность, что является главным для построения конструкций надёжных и безопасных в эксплуатации. Поэтому материал проверяется тщательно и разными методами во всех состояниях, какие он способен принять, не потеряв высокий уровень механических характеристик.

Методы контроля

Для проведения неразрушающего контроля за характеристиками материалов большое значение имеет правильный выбор эффективных методов. Наиболее точны и интересны в этом плане методы дефектоскопии - контроль дефектов. Здесь необходимо знать и понимать различия между способами реализации методов дефектоскопии и методов определения физико-механических характеристик, поскольку они принципиально отличаются друг от друга. Если последние основываются на контроле физических параметров и последующей их корреляции с механическими характеристиками материала, то дефектоскопия зиждется на прямом преобразовании излучения, которое отражается от дефекта или проходит контролируемую среду.

Лучше всего, конечно, контроль комплексный. Комплексность заключается в определении оптимальных физических параметров, по которым можно выявить прочностные и прочие физико-механические характеристики образца. А также одновременно разрабатывается и затем осуществляется оптимальный комплекс средств контроля над дефектами структуры. И, наконец, появляется интегральная оценка данного материала: определяется его работоспособность по целому комплексу параметров, которые помогли определить неразрушающие методы.

Механические испытания

С помощью таких испытаний проверяются и оцениваются механические свойства материалов. Этот вид контроля появился очень давно, но до сих пор не потерял своей актуальности. Даже современные высокотехнологичные материалы потребители достаточно часто и ожесточённо критикуют. А это говорит о том, что экспертизы должны проводиться тщательнее. Как уже было сказано, механические испытания можно подразделить на два вида: статические и динамические. Первые проверяют изделие или образец на кручение, растяжение, сжатие, изгиб, а вторые - на твёрдость и на ударную вязкость. Современное оборудование помогает выполнять эти не слишком простые процедуры качественно и выявлять все эксплуатацонные свойства данного материала.

Испытанием на растяжение можно выявить сопротивляемость материала к воздействию приложенного постоянного или возрастающего растягивающего напряжения. Метод старый, испытанный и понятный, используемый очень давно и до сих пор широко. Образец растягивается вдоль по продольной оси посредством приспособления в испытательной машине. Скорость растяжения образца постоянная, нагрузка измеряется специальным датчиком. Одновременно контролируется удлинение, а также соответствие его прилагаемой нагрузке. Результаты таких испытаний чрезвычайно полезны, если нужно содавать новые конструкции, поскольку пока никто не знает, как они себя поведут под нагрузкой. Подсказать может только выявление всех параметров упругости материала. Максимальное напряжение - предел текучести выносит определение максимальной нагрузки, которую данный материал может выдержать. Это поможет вычислить запас прочности.

Испытание твёрдости

Жёсткость материала рассчитывается по Сочетание текучести и твёрдости помогает определить упругость материала. Если в технологическом процессе присутствуют такие операции, как протяжка, прокатка, прессование, то величину возможной пластической деформации знать просто необходимо. При высокой пластичности материал сможет принять любую форму при соответствующей нагрузке. Методом выявления запаса прочности может служить также и испытание на сжатие. Особенно если материал является хрупким.

Твёрдость испытывают с помощью идентора, который выполнен из гораздо более твёрдого материала. Чаще всего проводится по методу Бринеля (вдавливается шарик), Виккерса (идентер в форме пирамидки) или Роквелла (используется конус). В поверхность материала вдавливается идентор с определённой силой в определённый период времени, а потом изучается оставшийся на образце отпечаток. Есть и другие достаточно широко применяемые испытания: на ударную прочность, например, когда оценивается сопротивление материала в момент приложения нагрузки.