3.1 Общие требования, предъявляемые к конструкционным материалам

Конструкционными называют материалы, предназначенные для изготовления деталей машин, приборов, инженерных конструкций и энергооборудования, подвергающиеся механическим нагрузкам. Детали машин, приборов и оборудования характеризуются большим разнообразием форм, размеров, условий эксплуатации. Они работают при статических, циклических и ударных нагрузках, при низких и высоких температурах, в контакте с различными средами. Эти факторы определяют требования к конструкционным материалам, основные из которых эксплуатационные, технологические и экономические.

Эксплуатационные — свойства, которые определяют работоспособность детали. Работоспособность в первую очередь оценивается механическими характеристиками, во-вторых, способностью сопротивляться воздействию агрессивных сред (жаростойкость, коррозионная стойкость), в-третьих, физические свойства (магнитные, радиационные).

Технологические свойства — пригодность материала для изготовления деталей машин, приборов. Оценивается способностью к обработке резанием, сварке, литью, выдерживать термическую обработку.

Экономические или стоимостные определяют экономичность использования в зависимости от цены материала.

3.2 Механические свойства металлов

Основными механическими свойствами являются прочность, упругость, вязкость, твердость. Зная механические свойства, можно обоснованно выбрать соответствующий материал, обеспечивающий надежность и долговечность конструкций при их минимальной массе.

Механические свойства определяют поведение материала при деформации и разрушении от действия внешних нагрузок.

В зависимости от условий нагружения механические свойства могут определяться при:

- статическом нагружении - нагрузка на образец возрастает медленно и плавно.

При статических нагружениях проводят испытания на растяжение и сжатие, твердость, изгиб и кручение, обычно их проводят на образцах стандартных размеров в лабораторных условиях;

- динамическом нагружении - нагрузка возрастает с большой скоростью, имеет ударный характер. Динамические испытания проводят для определения ударной вязкости;

- повторно-переменном или циклическим нагружении - нагрузка в процессе испытания многократно изменяется по величине или по величине и направлению. В испытаниях с переменной нагрузкой определяется предел выносливости материала.

- термические испытания , Определение порога хладноломкости металлов при низких температурах и испытания на ползучесть при повышенных температурах;

Для получения сопоставимых результатов образцы и методика проведения механических испытаний регламентированы ГОСТами.

При статическом испытании на растяжение: получают характеристики прочности и пластичности.

Прочность - способность материала сопротивляться деформациям и разрушению.

Испытания проводятся на специальных машинах, которые записывают диаграмму растяжения, выражающую зависимость удлинения образца Δℓ (мм) от действующей нагрузки Р (кгс ), т.е Δℓ = f(P).

Но для получения данных по механическим свойствам перестраивают: зависимость относительного удлинения Δℓ(мм) от напряжения σ (кгс/мм²) или в СИ выражается в МПа (кгс/мм² ≈ 10 МПа).

в в

0

а) б) в)

Рисунок 3.1. Диаграмма растяжения: а - абсолютная, б - относительная;

в - схема определения условного предела текучести

Процессы, которые происходят в материале образца при увеличении нагрузки, показаны на рисунке 3.1.

Участок оа на диаграмме соответствует упругой деформации материала, когда соблюдается закон Гука. Напряжение, соответствующее упругой предельной деформации в точке а, называется пределом пропорциональности.

Предел пропорциональности ( ) - максимальное напряжение, до которого сохраняется линейная зависимость между деформацией и напряжением.

(3.1)

где -нагрузка, - площадь поперечного сечения (мм²) образца.

При напряжениях выше предела пропорциональности происходит равномерная пластическая деформация (удлинение или сужение сечения).

Каждому напряжению соответствует остаточное удлинение, которое получаем проведением из соответствующей точки диаграммы растяжения линии параллельной оа.

Так как практически невозможно установить точку перехода в неупругое состояние, то устанавливают условный предел упругости, - максимальное напряжение, до которого образец получает только упругую деформацию. Считают напряжение, при котором остаточная деформация очень мала( ).

(3.2)

Предел текучести характеризует сопротивление материала небольшим пластическим деформациям.

В зависимости от природы материала используют физический или условный предел текучести. Физический предел текучести ( )- это напряжение, при котором происходит увеличение деформации при постоянной нагрузке (наличие горизонтальной площадки на диаграмме растяжения). Используется для очень пластичных материалов. Но основная часть металлов и сплавов не имеет площадки текучести.

Условный предел текучести ( ) - это напряжение вызывающее остаточную деформацию δ = 0,2 %.

(3.3)

Ф изический или условный предел текучести являются важными расчетными характеристиками материала. Действующие в детали напряжения должны быть ниже предела текучести.

Равномерная по всему объему пластичная деформация продолжается до значения предела прочности. В точке в наиболее слабом месте начинает образовываться шейка - сильное местное утомление образца.

Предел прочности ( )- напряжение, соответствующее максимальной нагрузке, которую выдерживает образец до разрушения (временное сопротивление разрыву)

(3.4)

Образование шейки характерно для пластичных материалов, которые имеют диаграмму растяжения с максимумом.

Предел прочности характеризует прочность как сопротивления значительной равномерной пластичной деформации. За точкой в, вследствие развития шейки, нагрузка падает и в точке К происходит разрушение.

Истинное сопротивление разрушению - это максимальное напряжение, которое выдерживает материал в момент, предшествующий разрушению образца (смотри рисунок 3.2). Истинное сопротивление разрушению значительно больше предела прочности, так как оно определяется относительно конечной площади поперечного сечения образца

S_к = P_к / F_к (3.5)

Напряжения, определенные по отношению приложенной нагрузки к начальной площади образца, называют условными напряжениями, а определенные по отношению к действительной площади – истинными напряжениями.

F

σ,S

_к - конечная площадь поперечного сечения образца. Истинные напряжения S определяют как отношение нагрузки к площади попереч­ного сечения в данный момент времени S = P/F.

При испытании на растяжение определяются и характеристики пластичности.

Пластичность — способность материала к пластической деформации, то есть способность получать остаточное изменение формы и размеров без нарушения сплошности. Это свойство используют при обработке металлов давлением.

Рисунок 3.2 Истинная диаграмма растяжения

Характеристики:

- относительное удлинение  = % (3.6)

где l₀ и l_к - начальная и конечная длина образца, Δ l_ост - абсолютное удлинение образца, определяется измерением образца после разрыва.

- относительное сужение

 = % (3.7)

г де - начальная площадь поперечного сечения, -площадь поперечного сечения в шейке после разрыва.

Относительное сужение более точно характеризует пластичность и служит технологической характеристикой. Пластичные материалы более надежны в работе, так как для них меньше вероятность опасного хрупкого разрушения.