Понедельник, 26 Фев 2018
 
 
Механические свойства

МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА МЕТАЛЛОВ

О свойствах металлов часто судят только по их твердости, пределу прочности и относительному удлинению.  Исходя  только из этих параметров  делают  выводы о возможностях металла или сравнивают разные сплавы. На самом деле этой информации абсолютно недостаточно для решения вопроса о пригодности материала для конкретной задачи. Кроме упомянутых параметров применяемость металлов и сплавов определяют а) конструкционная прочность, б) степень проявления неупругих явлений, в) износостойкость,  г) устойчивость к коррозии и многие другие.

На этой странице мы выясним, что именно определяют наиболее распространенные параметры механических свойств и  рассмотрим основные показатели конструкционной прочности. На других страницах  рассмотрены вопросы износостойкости и коррозионной стойкости

Содержание:

  1. Упругие и пластические деформации

  2. Показатели упругого и пластического состояний

2.1.  пределы пропорциональности, упругости и текучести

 2.2.  характеристики упругого состояния

 2.3.  предел прочности

 2.4.  пластичность и вязкость

 2.5.  твердость

    3. Показатели конструкционной прочности

3.1.  трещиностойкость

 3.2.  усталостная прочность

 3.3.  ударная вязкость

 3.4.  пределы ползучести и длительной прочности

   1. УПРУГИЕ И ПЛАСТИЧЕСКИЕ ДЕФОРМАЦИИ

Механические свойства металлов и сплавов определяются тем, как они воспринимают внешние нагрузки, т.е. сопротивляются деформированию и разрушению. При их деформировании  наблюдается два различных вида деформаций – упругие и пластические, – которые отличаются и внешними проявлениями и внутренними механизмами. Понятно, что свойства, определяющие упругое и пластическое состояние металлов, должны описываться разными характеристиками.

Упругие деформации происходят  за счет изменения межатомных расстояний,  они не изменяют структуру металла, его свойства и являются обратимыми. Обратимость означает, что после снятия нагрузки тело принимает прежние форму и размеры, т.е. остаточная деформация отсутствует.

Пластические деформации возникают за счет образования и движения дислокаций,  они изменяют структуру и свойства металла. После снятия нагрузки деформации остаются, т.е. пластические деформации носят необратимый характер.


2. ПОКАЗАТЕЛИ УПРУГОГО И ПЛАСТИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ

2.1. ПРЕДЕЛЫ ПРОПОРЦИОНАЛЬНОСТИ, УПРУГОСТИ и ТЕКУЧЕСТИ.

Область напряжений, при которых происходит только упругая деформация, ограничена пределом пропорциональности ?пц. В этой области в каждом зерне имеют место только упругие деформации, а для образца в целом выполняется закон Гука – деформация пропорциональна напряжению (отсюда и название предела).

С повышением напряжения в отдельных зернах возникают микропластические деформации. При таких нагрузках остаточные напряжения незначительные (0.001% - 0.01%).

Напряжение, при котором появляются остаточные деформации в указанных пределах,  называется условным пределом упругости. В его обозначении индекс указывает на величину остаточной деформации (в процентах), для которой произведено определение предела упругости, например ?0.01.

Напряжение, при котором пластическая деформация имеет место уже во всех зернах называется условным пределом текучести. Чаще всего он определяется при величине остаточной деформации 0.2% и обозначается ?0.2.

Формально, различие между пределами упругости и текучести связано  с точностью определения «границы» между упругим и пластическим состоянием, что и отражает слово  «условный». Очевидно, что ?пц <?0.01 <?0.2 .  Однако значения этих пределов определяется разными процессами. Поэтому термообработка или обработка давлением по-разному влияют на их величину. Отметим, что именно предел пропорциональности или упругости определяет степень проявления неупругих свойств и величину предела усталости.

  Отсутствие резкой границы между упругим и пластическим состоянием означает, что в интервале напряжений между ?пц  и ?0.2  происходят и упругие и пластические деформации.

Упругое состояние существует до тех пор, пока во всех  зернах металла дислокации неподвижны.

Переход к пластическому состоянию наблюдается в таком интервале нагрузок, при которых движение дислокаций (и, следовательно, пластическая деформация) происходит только в отдельных кристаллических зернах, а в остальных продолжает реализовываться механизм упругой деформации.

Пластическое состояние реализуется, когда движение дислокаций происходит во всех зернах образца.

После перестройки дислокационной структуры (завершения пластической деформации) металл возвращается в упругое состояние, но с измененными упругими свойствами. 

 

Приведенные обозначения пределов соответствуют одноосному растяжению, диаграмма которого приведена на рисунке. Аналогичные по смыслу пределы определяют для сжатия, изгиба и кручения.

Рассмотренная диаграмма характерна для металлов, у которых переход от упругого состояния к пластическому очень плавный. Однако существуют металлы с ярко выраженным переходом в пластическое состояние. Диаграммы растяжения таких металлов имеют горизонтальный участок, и они характеризуются не условным, а физическим пределом текучести. Пример такой диаграммы см. на сайте http://www.physics-words.com/130/207/2770120.html.. По достижении физического предела текучести небольшое увеличение напряжения приводит к резкому удлинению образца, металл как-бы течет, отсюда и название предела.

 

2.2. ХАРАКТЕРИСТИКИ  УПРУГОГО  СОСТОЯНИЯ

      Самые важные параметры упругого состояния – предел упругости  ?у и модули упругости. 

       Предел упругости   определяет предельно допустимые эксплуатационные нагрузки, при которых металл  испытывает только упругие или  небольшие допустимые упруго-пластические деформации. Очень грубо (и в сторону завышения) границу упругости можно оценить по пределу текучести.

     Модули упругости характеризуют сопротивление материала действию нагрузки в упругом состоянии. Модуль Юнга E определяет сопротивление нормальным напряжениям (растяжение, сжатие и изгиб), а модуль сдвига G - касательным напряжениям (кручение). Чем больше модули упругости, тем круче упругий участок на диаграмме деформации (см. рисунок), тем меньше величина упругих деформаций при равных напряжениях и, следовательно,  больше жесткость конструкции. Упругие деформации не могут быть больше величины ?у/Е.

     Таким образом, модули упругости определяют предельно допустимые эксплуатационные деформации (с учетом величины предела упругости и жесткость изделий. Модули упругости измеряются в тех же единицах, что и напряжение (МПа или кгс/мм2). 

     Конструкционные материалы должны сочетать  высокие значения предела текучести (выдерживают большие нагрузки) и модулей упругости (обеспечивают большую жесткость). Модуль упругости Е имеет одинаковую величину при сжатии и растяжении. Однако, пределы упругости при сжатии и растяжении могут отличаться. Поэтому при одинаковой жесткости, диапазоны упругости при сжатии и растяжении могут быть различны.

      В упругом состоянии металл не испытывает макропластических деформаций, однако в его отдельных микроскопических объемах могут происходить локальные микропластические деформации. Они являются причиной  так называемых неупругих явлений, существенно влияющих на поведение металлов в упругом состоянии. При статических нагрузках проявляются гистерезис, упругое последействие и релаксация, а при динамических – внутреннее трение.

  Релаксация – самопроизвольное уменьшение напряжений в изделии. Примером её проявления является ослабевание со временем натяжных соединений. Чем меньше релаксация, тем стабильнее действующие напряжения. Кроме этого релаксация приводит  к появлению остаточной деформации после снятия нагрузки. Восприимчивость к этим явлениям характеризует релаксационная стойкость. Она оценивается как относительное изменение напряжения со временем. Чем она больше, тем меньше металл подвержен релаксации.

      Внутреннее трение определяет необратимые потери энергии при переменных нагрузках. Потери энергии характеризуются декрементом затухания или коэффициентом внутреннего трения. Металлы с большим декрементом затухания эффективно гасят звук и вибрации, меньше подвержены резонансу (один из лучших демпфирующих металлов  - серый чугун). Металлы с низким коэффициентом внутреннего трения, наоборот минимально влияют на распространение колебаний (например колокольная бронза).  В зависимости от назначения металл должен иметь высокое внутреннее трение (амортизаторы) или, наоборот, низкое (пружины измерительных приборов). 

        С повышением температуры упругие свойства металлов ухудшаются. Это проявляется в сужении упругой области (за счет уменьшения пределов упругости), усилении неупругих явлений и уменьшении модулей упругости.

Металлы, которые используются для изготовления упругих элементов, изделий со стабильными размерами  должны иметь минимальные проявления неупругих свойств. Это требование лучше выполняется когда предел упругости значительно превышает рабочее напряжение. Кроме этого важно соотношение пределов упругости и текучести. Чем  больше отношение  ?у / ?0.2, тем меньше  проявление неупругих свойств. Когда говорят, что металл обладает хорошими упругими свойствами, обычно подразумевается не только  высокий предел упругости, но  и большое значение ?у / ?0.2.

2.3. ПРЕДЕЛ  ПРОЧНОСТИ

       При напряжениях, превышающих предел текучести ?0.2, металл переходит в пластическое состояние. Внешне это проявляется в снижении сопротивления действующей нагрузке и видимым изменением формы и размеров. После снятия нагрузки металл возвращается в упругое состояние, но остается деформированным на величину  остаточных деформаций, которые могут намного превышать предельные упругие деформации. Изменение дислокационной структуры в процессе пластической деформации увеличивает предел текучести металла – происходит его деформационное упрочнение.

     Обычно пластическую деформацию исследуют при  одноосном растяжении образца. При этом определяются временное сопротивление ?в ,  относительное удлинение после разрыва ? и    относительное сужение после разрыва ?.   Картина растяжения при напряжениях, превышающих предел текучести, сводится к двум вариантам, представленным на рисунке.

       В первом случае (рисунок на вставке) наблюдается равномерное растяжение всего образца - происходит равномерная пластическая деформация, которая завершается разрывом образца при напряжении ?в. В этом случае ?в  имеет смысл условного предела прочности при растяжении, а ?  и  ?  определяют максимальную  равномерную пластическую деформацию.

      Во втором случае образец сначала растягивается равномерно, а после достижения напряжения ?в  образуется местное сужение (шейка) и дальнейшее растяжение, вплоть до разрыва, сосредоточено  в области шейки. В этом случае ?  и ?  являются суммой равномерной и сосредоточенной деформаций (см. рис.).  Поскольку «момент» определения временного сопротивления уже не совпадает с «моментом» разрыва образца, то ?в определяет не предельную прочность, а условное напряжение, при котором завершается равномерная деформация. Тем не менее, величину ?В часто называют условным пределом прочности  независимо от наличия или отсутствии шейки.

       В любом случае разница (?в – ?0.2)  определяет интервал условных напряжений, в котором происходит равномерная пластическая деформация, а отношение ?0.2 / ?В  характеризует степень упрочнения. В отожженном металле ?0.2/?В=0.5-0.6. а после деформационного упрочнения (наклепа) оно увеличиватся до 0.9-0.95.

      Слово «условный» применительно к ?в  означает, что оно меньше «истинного» напряжения SВ действующего в образце. Дело в том, что напряжение  ?   определяется как отношение растягивающей силы к площади начального сечения образца (что удобно), а истинное напряжение S должно определяться по отношению к площади сечения в момент измерения (что сложнее). В процессе пластической деформации происходит  утончение образца и по мере растяжения разница между условным и истинным напряжением увеличивается (особенно после образования шейки).  Если строить диаграмму растяжения для истинных напряжений, то кривая растяжения будет проходить над кривой, нарисованной на рисунке и не будет иметь  ниспадающего участка. 

    Металлы  могут иметь одинаковое значение ?в, но, если у них разные диаграммы растяжения, разрушение образца будет происходить при разных истинных напряжениях SВ (их истинная прочность будет различной).

   Временное сопротивление ?В  определяется при нагрузке, действующей в течение десятков секунд, поэтому часто называется пределом кратковременной прочности.

           Пластическое деформирование исследуется также при сжатии, изгибе, кручении, диаграммы деформаций при этом подобны приведенной на рисунке. Но по многим причинам одноосное растяжение в большинстве случаев оказывается более предпочтительным. Наименее трудоёмко определение параметров одноосного растяжения ?в и ?,  они всегда определяются при массовых заводских испытаниях, а их значения обязательно приводятся во всех справочниках.

     Описание методики испытания металлов на растяжение (и определение всех терминов) приведены в ГОСТ 1497-73. Испытание на сжатие описано в ГОСТ 25.503-97, а на кручение - в ГОСТ3565-80.

 

2.4. ПЛАСТИЧНОСТЬ  И  ВЯЗКОСТЬ

       Пластичность – это способность металла изменять форму без нарушения целостности (без трещин, надрывов и тем более разрушения). Она проявляется,  когда  упругое деформирование сменяется пластическим, т.е. при напряжениях больших предела текучести ?в .

     Возможности пластического деформирования характеризует отношение ?0.2 /?в. При ?0.2/?В = 0.5-0.6 металл допускает большие пластические деформации ( ? и ? составляют десятки процентов). Наоборот, при ?0.2/?В =0.95–0.98 металл ведет себя как хрупкий: область пластических деформаций практически отсутствует (? и ? составляют 1-3%).

      Чаще всего пластические свойства оценивают по величине относительного удлинения при разрыве ?. Но эта величина определяется при статическом одноосном растяжении и поэтому не характеризует пластичность при других видах деформаций (изгиб, сжатие, кручение),  больших скоростях деформирования (ковке, прокатке) и высоких температурах. 

      В качестве примера можно привести латуни Л63 и ЛС59-1, у которых практически одинаковые значения ?, но существенно разные пластические свойства. Надрезанный пруток из Л63 в месте разреза сгибается, а из ЛС59-1 обламывается при небольшом усилии. Проволока из Л63 легко расплющивается без образования трещин, а из  ЛС59-1 растрескивается после нескольких ударов. Латунь ЛС59-1 легко поддается горячей прокатке, а Л63 прокатывается только в узком диапазоне температур, за пределами которого заготовка растрескивается.  

          Таким образом,  пластичность зависит от температуры,  скорости и способа деформации. На пластические свойства сильно влияют многие примеси, часто даже в очень малых концентрациях.

     На практике для определения пластичности применяются технологические пробы, в  которых используются такие способы деформирования, которые больше отвечают соответствующим технологическим процессам.

         Распространена оценка пластичности по углу изгиба, количеству перегибов или скручиваний, которые выдерживает полуфабрикат без появления трещин и надрывов.

    Испытание на выдавливание лунки из ленты (аналогия со штамповкой и глубокой вытяжкой)  проводится до появления надрывов и трещин.

       Хорошие пластические свойства важны при технологических процессах обработки  металлов давлением.  При нормальной же эксплуатации металл находится в упругом состоянии и его пластические  свойства не проявляются. Поэтому  ориентироваться на показатели пластичности при нормальной эксплуатации изделий на первый взгляд нет смысла.

      Но если существует вероятность возникновения нагрузок, превышающих предел текучести, то желательно, чтобы материал был пластичен. Хрупкий металл разрушается сразу после превышения некоторого предела, а пластичный материал способен, не разрушаясь, поглотить достаточно избыточной энергии.

        Понятия вязкости и пластичности часто отождествляют, но эти термины характеризуют разные свойства:

        Пластичность - определяет способность деформироваться без разрушения, она оцениваются в линейных, относительных или условных    единицах.

      Вязкость - определяет количество  энергии, поглощаемой  при пластической деформации, она измеряется с использованием единиц энергии  

     Величина энергии, необходимой для разрушения материала, равна площади под кривой деформации на диаграмме «истинное напряжение – истинная деформация». Это означает, что она зависит и от максимально возможной деформации и от прочности металла. Способ определения энергоемкости при пластической деформации описан в ГОСТ 23.218-84.

 

2.5. ТВЕРДОСТЬ

       Обобщенной характеристикой упруго-пластических свойств является твердость.

     Твердость – это свойство поверхностного слоя  материала сопротивляться внедрению другого, более твердого тела, при его сосредоточенном воздействии на поверхность материала.  «Другое, более твердое тело» - это индентор (стальной шарик, алмазная пирамида или конус), вдавливаемый в испытываемый металл.

      Напряжения, вызванные индентором, определяются его формой и силой вдавливания. В зависимости от величины этих напряжений  в поверхностном слое металла происходят упругие, упруго-пластические или пластические деформации. В первом случае снятие нагрузки не оставляет следа на поверхности. Если напряжение превышает предел упругости металла, то после снятия нагрузки на поверхности остаётся отпечаток. 

      Чем меньше отпечаток, тем выше сопротивление вдавливанию и тем большей считается твердость.  По величине сосредоточенного усилия, ещё не оставляющего отпечатка, можно определить твердость на пределе текучести (ГОСТ 22762-77).

      Численное определение твердости производится по методикам Виккерса, Бринелля и Роквелла.

      В методе Роквелла (ГОСТ 9013-59) твердость измеряется в условных единицах HR, которые отражают степень упругого восстановления отпечатка после снятия нагрузки. Т.е. число твердости по Роквеллу определяет сопротивление упругим или малым пластическим деформациям. В зависимости от вида металла и его твердости используют разные шкалы. Чаще всего используется шкала С и число твердости  HRC.

В единицах HRC часто формулируют требования к  качеству поверхности стальных деталей после термообработки. Твердость HRC в наибольшей степени отражает уровень рабочих характеристик высокопрочных сталей, а с учетом простоты измерений по Роквеллу, очень широко применяется на практике. Подробно о методе Роквелла с описанием различных шкал и твердости разных классов материалов см. http://www.fast-const.ru/articles.php?article_id=2

      Твердость по Виккерсу и Бринеллю  определяется как отношение усилия вдавливания к площади контакта индентора и металла при максимальном внедрении индентора. Т.е. числа твердости HV и HB имеют смысл среднего напряжения на поверхности невосстановленного отпечатка, измеряются в единицах напряжения  (МПа или кгс/мм) и определяют сопротивление  пластическим  деформациям. Основное различие между этими методами связано с формой индентора.

      Применение алмазной пирамиды в методе Виккерса (ГОСТ 2999-75, ГОСТ Р ИСО 6507-1) обеспечивает геометрическое подобие пирамидальных отпечатков при любой нагрузке - соотношение глубины и размера отпечатка при максимальном вдавливании не зависит от приложенного усилия. Это  позволяет достаточно строго сравнивать  твердость разных металлов, в том числе  результаты, полученные при разных нагрузках.

      Шаровые инденторы в методе Бринелля (ГОСТ 9012-59) не обеспечивают геометрического подобия сферических отпечатков. Это приводит к необходимости выбирать величину нагрузки в зависимости от диаметра шарового индентора и вида испытуемого материала по  таблицам рекомендуемых параметров испытаний.    Следствием этого является неоднозначность при сравнении чисел твердости HB для разных материалов.

       Зависимость определяемой твердости от величины приложенной нагрузки (небольшая для метода Виккерса  и очень сильная в методе Бринелля) требует обязательного указания условий испытания при записи числа твердости (см.  ГОСТы), хотя это правило часто не соблюдается.

          Область воздействия индентора на металл сопоставима с размерами отпечатка, т.е. твердость характеризует локальные свойства полуфабриката или изделия. Если поверхностный слой (плакированный или упрочненный) отличается по свойствам от основного металла, то измеряемые значения твердости будут зависеть от  соотношения глубины отпечатка и толщины слоя – т.е. будут зависеть от метода и условий измерения. Результат измерения твердости может относиться или только к поверхностному слою или к основному металлу с учетом его поверхностного слоя.

       При измерении твердости  определяется результирующее сопротивление внедрению индентора в металл без учета отдельных структурных составляющих. Усреднение происходит, если размер отпечатка превосходит размер всех неоднородностей. Твердость отдельных фазовых составляющих (микротвердость) определяется по методу Виккерса (ГОСТ 9450-76) при малых усилиях вдавливания.

      Прямой взаимосвязи между разными шкалами твердости не существует, отсутствуют  и обоснованные методы перевода чисел твердости из одной шкалы в другую. Имеющиеся таблицы, формально связывающие различные шкалы,  построены по данным сравнительных измерений и справедливы только для конкретных категорий металлов. В таких таблицах числа твердости обычно сопоставляются с числами твердости HV. Это связано с тем, что метод Виккерса позволяет определять твердость любых материалов (в других методах диапазон измеряемой твердости ограничен) и обеспечивает геометрическое подобие отпечатков.

Графическая связь между шкалами Роквелла и Виккерса см. http://www.gordonengland.co.uk/hardness/hardness_conversion.gif. 

 для сталей - http://www.grantadesign.com/images/hardness.fe2.gif

То же для цветных сплавов -  http://www.grantadesign.com/images/hardness.al1.gif

Табличная связь между всеми шкалами для сталей есть в  http://www.freetechnicalcharts.com/images/Steel_hardness_conversion_chart.jpg

      Также не существует прямой связи твердости  с пределами текучести или прочности, хотя на практике часто используется соотношение ?в = k НВ. Значения коэффициента k определяются на основе сравнительных испытаний для конкретных классов металлов и  варьируются от  0.15 до 0.5 в зависимости от вида металла и его состояния (отожженный,  нагартованный и т.д.). 

      Изменения  упругих и пластических свойств с изменением температуры,  после термической обработки, нагартовки и т.д. проявляются в изменении твёрдости. Твердость измеряется быстрее, проще, допускает неразрушающий контроль. Поэтому изменение характеристик металла  после различных видов обработки удобно контролировать именно по изменению твердости. Например, упрочнение, увеличивая ?0.2 и  ?0.2 /?в, увеличивает твердость, а отжиг  её уменьшает.

      В  большинстве случаев твердость определяется при комнатной температуре при воздействии индентора менее минуты. Определяемая при этом твердость называется кратковременной твердостью. При высоких температурах, когда развивается явление ползучести (см. ниже), определяется длительная твердость - реакция металла на длительное воздействие индентора (обычно в течение часа). Длительная твердость всегда меньше кратковременной и это различие растет с увеличением температуры. Например в меди кратковременная и длительная  твердость при 400оС составляет 35HV и 25HV , а при 700оС - 9HV и 5HV  соответственно.

    Рассмотренные методы относятся к статическим: индентор внедряется медленно, а максимальная нагрузка действует достаточно долго для завершения процессов пластической деформации (10 – 180с). В динамических (ударных) методах воздействие индентора на металл кратковременно, поэтому и деформационные процессы протекают иначе. Различные варианты динамических методов используются в портативных твердомерах.

     При столкновении с исследуемым материалом энергия индентора (бойка) расходуется на упругую и пластическую деформацию. Чем меньше энергии израсходовано на пластическую деформацию образца, тем выше должна быть его «динамическая» твердость, которая определяет сопротивление материала упруго-пластическому деформированию при ударе. Первичные данные пересчитываются  в числа «статической» твердости (HR, HV, HB), которые и отображаются на приборе. Такой пересчет возможен  только на основе сравнительных измерений для конкретных групп материалов.

    Существуют также оценки твердости по сопротивлению абразивному изнашиванию или резанию, которые лучше отражают соответствующие технологические свойства материалов.

     Из сказанного следует, что твердость не является первичным свойством материала, скорее это обобщенная характеристика, отражающая его упруго-пластические свойства. При этом, выбор метода и условий измерения может преимущественно характеризовать или его упругие или, наоборот, пластические свойства.

 

3. ПОКАЗАТЕЛИ КОНСТРУКЦИОННОЙ ПРОЧНОСТИ

       При одноосном растяжении разрушение происходит при достижении предела прочности ?в уже после завершения пластической деформации. Однако, в  реальных условиях металлы разрушаются при напряжениях, не превышающих даже предела текучести ?0.2. Это означает, что величина ?в  не определяет реальную прочность металлов и для её описания нужны другие характеристики.

      Практика показывает, что долговечность изделия определяют 1)  конструкционная прочность, 2) износостойкость и  3) коррозионная стойкость соответствующего материала при соответствующих условиях эксплуатации.  Именно эти свойства определяют выбор материала в большинстве практических задач.

 

3.1. ТРЕЩИНОСТОЙКОСТЬ (ВЯЗКОСТЬ РАЗРУШЕНИЯ)

     В металлах всегда имеются концентраторы напряжений. Ими являются неоднородности структуры (примеси, упрочняющие фазы), дефекты (внутренние и поверхностные трещины), конструктивные особенности изделия (надрезы, резкие изменения в сечении).  Механизмы разрушения связаны с микропластическими деформациями, которые  развиваются вблизи концентраторов напряжений и с течением времени приводят к зарождению трещины.

     По скорости распространения трещины различают вязкое и хрупкое разрушение. При хрупком разрушении она достигает скорости 1000 м/с, а при вязком – в сотни раз меньше. Для вязкого разрушения требуется значительно больше энергии, поскольку область деформации охватывает область металла далеко за пределами трещины. При хрупком разрушении деформация локализована в узкой области у вершины трещины, поэтому  для её продвижения требуется намного меньше энергии.

    Пока трещина развивается медленно, изделие сохраняет работоспособность. Но после того, как трещина достигает некоторой критической величины, её дальнейшее распространение происходит очень быстро и наступает катастрофическое разрушение конструкции. Чем медленнее развивается трещина, тем больше конструкционная прочность. Для характеристики конструкционной прочности используют несколько величин (ГОСТ 25.506-85).

          Важнейшим параметром конструкционной прочности материала является критический коэффициент интенсивности напряжений в вершине трещины  К (или вязкость разрушения). Он учитывают длину трещины и процесс её развития. Его знание  позволяет рассчитывать максимально допустимую  нагрузку в конструкции с трещиной таких размеров, при которых ещё не начинается её быстрое развитие до полного разрушения. В конструкционных сталях, алюминиевых и титановых сплавах К изменяется в широких пределах – от 15 до 200 МПа*м.  Чем больше его значение, тем выше конструкционная прочность материала.

      Простой связи между вязкостью разрушения  К и параметрами одноосного растяжения (?0.2, ?в, ?, ?) не существует. В то же время она существенно зависит от особенностей структуры и наличия примесей.

     Это можно проиллюстрировать на примере алюминиевых сплавов семейства В95. Как и другие термоупрочняемые сплавы их структура зависит от режима закалки и старения. Существует много примеров, когда предпочтение отдается  металлам с меньшей прочностью, но с большим значением  К.


3.2. УСТАЛОСТНАЯ ПРОЧНОСТь

     Трещины в металлах зарождаются и развиваются не только при статических нагрузках, но и под  действием циклических напряжений.  Усталостная трещина зарождается в поверхностных слоях (это её отличительный признак) и с каждым циклом медленно развивается вглубь. Разрушение происходит, когда из-за уменьшения сечения действующие напряжения превысят разрушающие.

     Накопление повреждений означает, что чем больше циклов нагружения, тем меньше должна быть величина нагрузки, чтобы металл «работал», не разрушаясь.     Процесс постепенного накопления повреждений в металле называется усталостью.

     Свойство противостоять усталости называется выносливостью.    Её важнейшей характеристикой является предел выносливости. Он  показывает наибольшее напряжение цикла, при котором не происходит усталостного разрушения после заданного числа циклов.       Чаще используют симметричные знако-переменные циклы (поочередно действуют одинаковые по амплитуде сжимающие и растягивающие напряжения), в таких случаях предел выносливости  обозначается ?-1.

Испытания на усталостную прочность регламентированы  в ГОСТ 25.502.79 и в ГОСТ 25.505-85

   Вторая по важности характеристика выносливости - усталостная долговечность. Она определяет число циклов, которое металл может выдержать при заданном напряжении.      Определяется также вероятность разрушения при заданном уровне нагружения и заданном числе циклов (или допустимое напряжение  при заданной вероятности разрушения).      Важной характеристикой сопротивления усталости является скорость роста трещины при усталости (СРТУ) dl/dN и циклическая вязкость (циклическая трещиностойкость) Кц. При их определении фиксируют длину трещины по мере увеличения числа циклов, а нагружение проводится на частотах 15-20 Гц.

     Способность металла работать в условиях циклических нагрузок существенно зависит от условий нагружения.

     А). При относительно небольших напряжениях (которым соответствуют упругие деформации) усталостная долговечность велика – металл сохраняет целостность при большом числе циклов.  Многоцикловые характеристики определяются при базе испытаний 106 – 108  циклов на частотах 10-300 Гц.

       Б). При значительных нагрузках (в области упруго-пластических деформаций) усталостная долговечность намного меньше. Параметры малоцикловой усталости определяются при базе испытаний до 5*104   на частотах 3 - 5 Гц.

     В). Циклические изменения температуры при постоянном напряжении (или на фоне циклических нагрузок) сопровождаются упруго-пластическими деформациями. Это приводит к термической  усталости.  Способность материала сопротивляться разрушению в условиях проявления термической усталости называется термостойкостью. Показатель термостойкости – количество термоциклов при заданной нагрузке до разрушения (ГОСТ 25.502.79).

    Получение усталостных характеристик является очень дорогим и трудоёмким процессом. Поэтому для приближенной оценки предела усталости его  часто определяют  через другие известные характеристики, например ?-1 = k?в. Коэффициент k имеет разные значения не только для разных сплавов, но и для разных состояний одного и того же металла.  Например, для отожженных алюминиевых термически неупрочняемых сплавов k = 0,4-0,6, а для термоупрочненных алюминиевых сплавов k = 0.3.

    Характеристики выносливости зависят от сочетания прочностных, пластических свойств и особенностей структуры. На выносливость всех металлов и сплавов отрицательно влияют примеси и грубые фазовые включения, особенно неметаллические. 

   Поскольку усталостные трещины зарождаются на поверхности, то особое значение для повышения долговечности при циклических нагрузках имеет состояние поверхности. Полировка, поверхностное упрочнение, отсутствие коррозии увеличивают величину предела выносливости.


3.3. УДАРНАЯ  ВЯЗКОСТЬ

 При статических испытаниях скорость приложения нагрузки составляет 10-5 – 10-2 м/с. Их результаты не отражают сопротивляемость материала к  нагрузкам, действующим с гораздо большей скоростью. Поэтому устойчивость металла к разрушению при ударных нагрузках определяют в динамических испытаниях при скоростях деформирования 3 – 5 м/с.

     Основная характеристика, получаемая при ударных испытаниях – ударная вязкость (единица измерения – Дж/см2). Она определяет энергию, необходимую для разрушения образца. Её измеряют, подвергая удару образец с предварительно нанесенным надрезом (ГОСТ9454-78).

     Энергия удара поглощается в некотором объеме вокруг надреза. Этот объем зависит и от прочности и от пластичности металла, для разных металлов он разный и его трудно оценить. Поэтому энергию разрушения относят не к объему деформируемой области (что было бы правильно), а к площади сечения в надрезе (что удобно). По этой причине величина  ударной вязкости носит условный характер, что нужно учитывать при сравнении показателей для разных металлов или разных температур

     В зависимости от вида надреза (концентратора) определяется три вида ударной вязкости.       В её обозначении присутствует буква, указывающая на вид концентратора:  КСT, КСU, КСV (последняя буква соответствует профилю надреза). Величина КСV – используется для контроля материалов для ответственных, а КСT – для особо ответственных применений. Т- концентратор представляет собой надрез с заранее введенной трещиной, поэтому в таком случае энергия удара расходуется только на развитие  трещины (а не на её образование и развитие), поэтому КСT < КСU, КСV. В справочниках часто встречается  обозначение ударной вязкости  ?н , соответствующе КСU.

      При определении динамической вязкости при высоких или пониженных температурах дополнительно вводится обозначение температуры испытания, например КСU -60. На основе таких измерений и по виду излома образца определяется ещё одна характеристика металла - температура хрупко-вязкого перехода Тхр . Это температура, при которой характер разрушения изменяется с вязкого на хрупкий.

 

 3.4. ПРЕДЕЛЫ ПОЛЗУЧЕСТИ И ДЛИТЕЛЬНОЙ ПРОЧНОСТИ

       При напряжениях ниже предела текучести в металлах наблюдается явление ползучести. Ползучесть – это непрерывная деформация под действием постоянного напряжения. При малых нагрузках и низких температурах она носит обратимый характер.

      Ползучесть становится проблемой при повышенных температурах (примерно начиная с 0.4-0.6Тпл) и нагрузках выше некоторой величины (но меньше предела текучести). Деформация ползучести сопровождается изменениями структуры и, соответственно механических свойств. В отличие от пластической деформации, упрочняющей металл, деформация ползучести ведет к его разупрочнению. Кроме постоянно растущей деформации и увеличения скорости ползучести в металле начинается зарождение трещин и со временем происходит его разрушение.

     С явлением ползучести связано понятие жаропрочности.     Это способность работать под нагрузкой с допустимыми деформациями и без разрушения в условиях повышенных температур.

     Количественной характеристикой жаропрочности является предел ползучести (ГОСТ 3248-60) и предел длительной прочности (ГОСТ 10145-81).

     Предел ползучести используется в двух вариантах. В первом - это растягивающее напряжение, при котором деформация достигает заданной величины за определенное время. В обозначении предела верхний индекс указывает заданную температуру, нижний (через дробь) указывает допустимое удлинение в % и время, за которое оно достигается, например ? 9001/1000.

В другом варианте  нижний индекс указывает допустимую скорость установившейся ползучести.

     Предел длительной прочности это условное наибольшее напряжение, под действием которого материал при заданной температуре разрушается через заданный промежуток времени. В обозначении присутствуют два индекса: верхний указывает заданную температуру, нижний – заданную долговечность (в часах), например ? 9001000 . Эта характеристика определяет способность материала противостоять разрушению при длительном воздействии температуры и нагрузки.

     Предел ползучести и длительная прочность понижаются  с увеличением температуры и длительности выдержки. Они должны рассматриваться как предельные значения рабочего напряжения при высоких температурах.

Жаропрочность часто путают с жаростойкостью – способность выдерживать высокую температуру без окалинообразования.  Жаростойкость можно рассматривать как сопротивление коррозии, вызванной высокими температурами. Её характеристики и методы  определения даны в ГОСТ 21910-76 и ГОСТ 6130-71.

 

  ЗАКЛЮЧЕНИЕ

      Из приведенного материала должно быть понятно, что любой материал характеризуется таким большим количеством параметров, что нельзя по нескольким величинам делать  выводы о всей совокупности свойств металла и возможности его применения в тех или иных условиях. 

Для получения необходимой полноты сведений о свойствах необходимо пользоваться не ГОСТами, в которых приведены несколько легкоизмеряемых величин,а справочной литературой.

Сдвижков М.А.



             подробнее в пособии