1.3.2. Механические свойства материалов

Каждый материал характеризуется комплексом свойств, определяющих его прочность, жесткость и обрабатываемость. Эти свойства рассчитывают на осно­ве системы механических и технологических испытаний, направленных на ко­личественную оценку установленных стандартами и специальных параметров.

Механические свойства материалов, от уровня которых зависит их проч­ность и обрабатываемость, определяют при различных схемах нагружения (рас­тяжение, сжатие, изгиб). Виды испытаний обусловлены многообразием условий нагружения реальных деталей и технологическими процессами изготовления.

При механических испытаниях определяют параметры прочности, пластич­ности, усталостной прочности, вязкости и трещиностойкости.

Методы испытаний и получаемые при их выполнении данные описаны в спе­циальной литературе. Ниже рассмотрены некоторые из механических свойств мате­риалов, широко используемые при прочностных и технологических расчетах.

Механические свойства материалов при статическом нагружении растя­жением. При испытании на растяжение получают диаграмму зависимости удли­нения от нагрузки. При этом используют стандартные образцы (ГОСТ 1497-84).

Относительная деформация е определяется как

где l₀ — начальная длина образца; l — текущая длина.

Типовая диаграмма растяжения показана на рис. 1.23.

Рис. 1.23. Типовая диаграмма растяжения

Значения напряжений определяют как отношение растягивающей силы Р, приложенной к образцу, и площади начального сечения F_o:

Сначала образец деформируется упруго и зависимость относительной дефор­мации от приложенного напряжения линейна. Следует отметить, что в реальных материалах вследствие подвижных дефектов кристаллического строения пласти­ческие деформации могут происходить при весьма малых нагрузках. Это явление называют неупругостью.

Напряжение, при котором значение деформации составляет 0,05 %, называ­ют условным пределом упругости .

При дальнейшем увеличении напряжения развиваются значительные пла­стические деформации, изменяется структура материала и существенно увели­чивается плотность дислокаций. Все это приводит к резкому изменению харак­тера кривой деформации.

Наименьшее напряжение, при котором образец деформируется без заметно­го увеличения нагрузки (ему соответствует площадка текучести на кривой де­формации), называют пределом текучести . При растяжении образцов из вы­сокопрочных и хрупких металлических материалов площадка текучести может отсутствовать. В этом случае используют понятие условного предела текучести , при котором остаточная деформация составляет 0,2 %.

При дальнейшем растяжении нагрузка деформирования возрастает. Это свя­зано с упрочнением материала в результате его пластической деформации. В точке В она достигает наибольшего значения.

Условное напряжение, соответствующее максимальной нагрузке, называют временным сопротивлением . Оно характеризует максимальное напряжение, которое может выдержать материал.

Последующее растяжение приводит к локализации деформации на опреде­ленном участке образца, где происходит местное сужение и образуется шейка. На этом участке возникают поры и микротрещины, которые сливаются в макро­трещины. В итоге прочностные свойства материала резко снижаются и в точке С происходит разрушение образца.

Пластичность материала характеризуют относительное удлинение (%) и относительное сужение (%):

где l_к — конечная длина образца после разрыва; F_к — конечная (минимальная) площадь поперечного сечения образца после разрыва.

Механические свойства материалов при динамическом погружении. При динамическом (ударном) нагружении скорости приложения нагрузки и деформации на несколько порядков выше, чем при статическом. Это определяет специфику поведения материала. Поскольку скорость распространения упругой деформации намного выше, чем пластической, увеличение скорости приложения нагрузки ведет к росту сопротивления материала пластической деформации. По сравнению со статическим нагружением возрастают пределы упругости и пластичности, а также временное сопротивление (рис. 1.24).

Рис. 1.24. Диаграммы растяжения при статическом (1) и динамическом (2) нагружении

Динамические испытания позволяют установить способность материала сопротивляться хрупкому разрушению.

Наиболее распространены испытания на ударную вязкость, проводимые в условиях ударного изгиба на маятниковых копрах (рис. 1.25).

Образцы для испытаний на ударный изгибах согласно ГОСТ 9454-78 имеют установленные размеры. Предусмотрено три вида концентраторов напряжения: U — с радиусом 1 мм; V — с радиусом 0,25 мм в форме буквы V с углом 45⁰; Т— концентратор в форме усталостной трещины.

При испытаниях определяют параметр, называемый ударной вязкостью, которая представляет собой отношение работы К, затраченной на разрушение образца, к площади поперечного сечения в месте концентратора:

Рис. 1.25. Схема и образец для испытаний на ударный изгиб

Работу К определяют по углу отклонения маятника по шкале, имеющейся на установке. Очевидно, что

где т — масса маятника; g — ускорение свободного падения; h₁, h₂ — высота начального и конечного положений маятника.

В зависимости от формы концентратора значения ударной вязкости обозна­чают KCU, KCV или КСТ.

На ударную вязкость влияют:

• химический состав и структура материала;

• состояние поверхностного слоя в месте концентратора;

• направление волокон материала;

• температура испытаний.

Механические свойства материалов при переменном нагружении. В про­цессе эксплуатации многие детали авиационных двигателей, в частности лопат­ки, диски и валы турбин и компрессоров, испытывают воздействие циклических повторно-переменных нагрузок. Такие нагрузки вызывают усталостью материа­лов деталей.

Усталостью называют процесс постепенного накопления повреждений в материалах при действии циклических нагрузок, приводящий к образованию трещин и разрушению.

Выносливостью называют способность материала противостоять усталости.

Циклы нагружения могут быть симметричными и несимметричными. Ос­новными их характеристиками являются: максимальное и минимальное напряжения, амплитуда напряжения , коэффициент асим­метрии цикла . Числовое значение R указывается при обозначении предела выносливости . В случае распространенного симметричного цикла , и предел выносливости обозначают как .

Циклической долговечностью называют число циклов нагружения N до образования трещин или разрушения.

Различают два вида усталости: многоцикловую, возникающую при цикли­ческом деформировании в упругой области, когда и малоцикловую, возникающую при упругопластическом циклическом деформировании, когда .

Характеристики жаропрочности. Жаропрочностью называют способность материала сопротивляться деформациям и разрушению под действием внешних нагрузок при высоких температурах.

При высоких температурах происходят процессы, оказывающие влияние на механические свойства материалов:

• возрастает диффузионная подвижность атомов;

• изменяется структура и фазовый состав;

• происходит рекристаллизация и исчезает упрочнение, созданное холодным пластическим деформированием.

В общем случае эти процессы приводят к снижению механических свойств. Уменьшаются пределы упругости и текучести, временное сопротивление.

Для оценки свойств материалов при высоких температурах используются характеристики жаропрочности: кратковременную прочность, предел ползучести, длительную прочность.

Кратковременной прочностью называют временное сопротивление материала при температуре испытаний t. Например, запись означает, что значение временного сопротивления определено при температуре 1000 °С. Эта характеристика используется для предварительной оценки жаростойкости материалов.

При совместном воздействии напряжений и температуры наблюдается удлинение образца или детали в направлении действия напряжений. Это явление называют ползучестью.

Сопротивление материалов ползучести характеризует условный предел ползучести , т. е. напряжение, которое при заданной температуре t за установленное время вызывает относительное удлинение . Например, означает, что при напряжении 210 МПа и температуре 900 °С за 100 ч образец получил остаточную деформацию 0,2 % от начальной длины.

Условный предел ползучести определяют по ГОСТ 3248-81 с постоянной регистрацией значения деформации.

Пределом длительной прочности называют напряжение, вызывающее разрушение материала при постоянной температуре t за установленное время

Например, означает, что при напряжении 210 МПа и температуре 1000 °С образец разрушится через 100 ч.

Зависимость между разрушающим напряжением и временем разрушения при заданной температуре называют кривой длительной прочности. Кривые длительной прочности для никелевого сплава ЖС6У, построенные в логарифмических координатах, показаны на рис. 1.26.

Рис. 1.26. Кривые длительной прочно­сти сплава ЖС6У при различных темпе­ратурах

При оценке работоспособности материала на высоких температурах иногда используют дополнительные характеристики термической усталости и термической стабильности.

Термическая усталость представляет собой процесс накопления повреждений при циклическом изменении температуры. При быстром нагреве и охлаждении возникают значительные термические напряжения , значение которых зависит от перепада температур, формы и размеров детали, свойств материала:

где , — коэффициент термического расширения; Е — модуль упругости ма­териала; — коэффициент Пуассона.

Очевидно, термической усталости в наибольшей степени подвержены приповерхностные объемы материала.

Способность материала сопротив­ляться термической усталости называют термостойкостью. Термостойкость оп­ределяют по числу циклов нагрева и ох­лаждения до появления трещин на образ­це или детали. Сопротивление термиче­ской усталости деталей из никелевых сплавов, имеющих направленную микроструктуру, почти в 2 раза выше, чем с обычной. Для монокристаллической структуры — в 5 раз.

Термическая стабильность характеризует изменение прочностных свойств или пластичности материала в результате длительного воздействия на него вы­соких температур. Ее можно оценить процентным изменением временного со­противления или относительного удлинения:

Здесь и — временные сопротивления соответственно образцов исходного материала и материала после длительного температурного воздействия; и — соответствующие значения относительных удлинений.

Характеристики твердости. Твердостью называют свойство материалов сопротивляться внедрению в них более твердых тел или царапанию более твер­дыми предметами.

Твердость является косвенной характеристикой прочности, широко используе­мой на практике в связи с простотой неразрушающего контроля качества деталей.

В практике машиностроения наиболее широко используют характеристики твердости, получаемые при вдавливании сферического, конического или пира­мидального индентора по методам Бринелля, Виккерса и Роквелла.

При измерениях твердости по Бринеллю (рис 1.27, а) в поверхность вдавли­вают стальной шарик диаметром D (мм) с силой Р (Н). После измерения диамет­ра отпечатка d (мм) по приведенной ниже формуле рассчитывают твердость по Бринеллю

Здесь А — площадь поверхности отпечатка.

Рис. 1.27. Схемы определения твердости по Бринеллю (а), Виккерсу (б) и Роквеллу (в)

Для измерения твердости чугуна и сталей используют закаленные шарики из стали ШХ15 диаметром 10 мм, к которым прикладывают нагрузку Р = 30000 Н.

При оценке твердости алюминиевых, никелевых и медных сплавов используют нагрузку 10000 Н. Стальные шарики диаметром 2,5 и 5 мм применяют реже из-за возрастания погрешности измерения.

Для материалов с твердостью более 450 НВ метод Бринелля не рекомендуется.

Твердость по Виккерсу (рис. 1.27, б) определяют вдавливанием в поверхность алмазного наконечника в виде правильной пирамиды с углом при вершине 136° силой Р. После снятия нагрузки измеряют размеры диагоналей отпечатка рассчитывают средний размер диагонали. Твердость по Виккерсу HV рассчитывают по формуле:

Метод используется для определения твердости тонкостенных деталей, также упрочненных поверхностей, имеющих высокую твердость. Нагрузка может меняться в пределах 9,8...980 Н. Чем тоньше деталь, тем меньшей назначается нагрузка.

Метод Виккерса применяют для определения микротвердости на специальных приборах. В этом случае используют очень малые нагрузки Р = 0,05...5,0 Н. Измерение отпечатка проводят специальным микроскопом.

Микротвердость измеряют при оценке свойств тонких покрытий, отдельных структурных составляющих сплавов, определении степени и глубины поверхно­стного упрочнения.

Твердость по Роквеллу (рис. 1.27, в) определяется вдавливанием алмазного конуса с углом при вершине 120° (HRC, HRA) или стального (твердосплавного) шарика диаметром 1,59 мм (HRB).

При измерении твердости сначала прикладывают предварительную нагруз­ку Р₀ под действием которой индентор вдавливается на глубину h₀. Затем соз­дают полную нагрузку Р = Р₀ + Р₁. После снятия части нагрузки P_i (нагрузка Р₀ остается) фиксируют значение внедрения h.

Твердость по Роквеллу обозначают буквами HR с добавлением третьей бук­вы, указывающей одну из трех шкал измерения (HRA, HRB, HRC).

Шкала В служит для оценки твердости мягких материалов (60...230 НВ). В качестве индентора используют шарик. Начальная нагрузка Р₀ = 98 Н, а полная Р = 980 Н.

Шкалу С используют для оценки материалов, имеющих твердость 230.. .700 НВ. В качестве индентора используют конус. Р0 = 98 Н, Р = 1471 Н.

Шкала А служит для измерения твердости очень твердых материалов (более 700 НВ), тонкостенных деталей, тонких слоев и листовых материалов. В качест­ве индентора используют алмазный конус. Р₀ = 98 Н, Р = 588 Н.

Значения твердости по Роквеллу выражают отвлеченной безразмерной ве­личиной, зависящей от глубины вдавливания. Значения твердости определяют по соотношениям:

Здесь с — условная единица, . Значение 0,002 мм соответствует цене деления прибора при измерении глубины внедрения.

Коротко остановимся на основных свойствах групп материалов, применяе­мых в основном производстве ГТД.