2. Механические свойства металлов.

Механическими свойствами называется совокупность свойств, определяющих сопротивление металлов воздействию механических усилий, которые могут прилагаться к изделию различными способами. Механические свойства зависят от химического состава, структурного состояния, внешнего силового воздействия, способов технологической обработки металлов и ряда других факторов. Знание механических свойств очень важно, так как позволяет оценивать поведение металла под воздействием внешних нагрузок при работе конструкций и деталей машин в эксплуатационных условиях, а также при обработке давлением или резанием.

Основные механические свойства твердых тел:

• деформационные (жесткость, пластичность, ползучесть, твердость, предельные деформации при разрушении),

• прочностные (предел прочности s, долговечность, усталостная прочность, работа разрушения при ударном воздействии), фрикционные (коэффициент трения и износа);

Значения показателей механических свойств не являются физическими постоянными вещества; они могут зависеть от формы и размеров изделия, условий испытания, состава окружающей среды, состояния поверхности испытуемого образца, фазового и релаксационного состояний материала, определяемых его предысторией, составом, структурой. Поэтому для сравнения различных материалов по механическим свойствам важно строго стандартизировать условия и режим их определения.

Прочность — способность металла сопротивляться разрушению при действии на него нагрузки.

Твердость — способность металла сопротивляться внедрению в его поверхность другого более твердого тела. Если ударить молотком по кернеру, поставленному на стальную пластинку, образуется небольшая лунка. Если то же самое сделать с пластинкой из меди, лунка будет больше. Это свидетельствует о том, что сталь тверже меди.

Упругость — свойство металла восстанавливать свою форму и размеры после прекращения действия нагрузки. Высокой упругостью должна обладать, например, рессоры и пружины, поэтому они изготовляются из специальных сплавов. Попробуйте одновременно растянуть и отпустить пружины из стальной и медной проволоки. Вы увидите, что первая вновь сожмется, а вторая останется в том же положении. Значит, сталь более упругий материал, чем медь.

Пластичность — способность металла изменять форму и размеры под действием внешней нагрузки и сохранять новую форму и размеры после прекращения действия сил. Пластичность — свойство, обратное упругости. Чем больше пластичность, тем легче металл куется, штампуется, прокатывается.

Вязкость — способность металла оказывать сопротивление быстро возрастающим (ударным) нагрузкам. Например, если наносить удары по чугунной плите, она разрушится. Чугун — хрупкий металл. Вязкость — свойство, обратное хрупкости. Вязкие металлы применяются в тех случаях, когда детали при работе подвергаются ударной нагрузке (детали вагонов, автомобилей и т. п.).

3. Деформация и разрушение.

1. Деформация

Приложение нагрузки вызывает деформацию. В начальный момент напряжение, если оно не сопровождается фазовыми (структурными) изменениями, вызывает только упругую (обратимую) деформацию. По достижении некоторого напряжения деформация (частично) становится необратимой (пластическая деформация), необратимо при этом изменяются и строение металла и, следовательно, его свойства.

Если напряжение, приложенное к металлическому образцу, не слишком велико, то его деформация оказывается упругой – стоит снять напряжение, как его форма восстанавливается. Некоторые металлические конструкции намеренно проектируют так, чтобы они упруго деформировались. Так, от пружин обычно требуется довольно большая упругая деформация. В других случаях упругую деформацию сводят к минимуму. Мосты, балки, механизмы, приборы делают по возможности более жесткими. Упругая деформация металлического образца пропорциональна силе или сумме сил, действующих на него. Это выражается законом Гука, согласно которому напряжение равно упругой деформации, умноженной на постоянный коэффициент пропорциональности, называемый модулем упругости:

s = eY

где s – напряжение, e – упругая деформация, а Y – модуль упругости (модуль Юнга). Модули упругости ряда металлов представлены в табл. 1.

Таблица 1

Металл	Вольфрам W	Железо (сталь) Fe	Медь Cu	Алюминий Al	Магний Mg	Свинец Pb
Модуль Юнга, 105 МПа	3,5	2,0	1,1	0,70	0,45	0,18

Пользуясь данными этой таблицы, можно вычислить, например, силу, необходимую для того, чтобы растянуть стальной стержень квадратного поперечного сечения со стороной 1 см на 0,1% его длины:

F = Y*A*DL/L = 200 000 МПа * 1см 2* 0,001 = 20 000 Н (= 20 кН)

Когда к металлическому образцу прикладываются напряжения, превышающие его предел упругости, они вызывают пластическую (необратимую) деформацию, приводящую к необратимому изменению его формы. Более высокие напряжения могут вызвать разрушение материала.

Важнейшим критерием при выборе металлического материала, от которого требуется высокая упругость, является предел текучести. У самых лучших пружинных сталей практически такой же модуль упругости, как и у самых дешевых строительных, но пружинные стали способны выдерживать гораздо большие напряжения, а следовательно, и гораздо большие упругие деформации без пластической деформации, поскольку у них выше предел текучести.

Пластические свойства металлического материала (в отличие от упругих) можно изменять путем сплавления и термообработки. Так, предел текучести железа подобными методами можно повысить в 50 раз. Чистое железо переходит в состояние текучести уже при напряжениях порядка 40 МПа, тогда как предел текучести сталей, содержащих 0,5% углерода и несколько процентов хрома и никеля, после нагревания до 950⁰С и закалки может достигать 2000 МПа.

Когда металлический материал нагружен с превышением предела текучести, он продолжает деформироваться пластически, но в процессе деформирования становится более твердым, так что для дальнейшего увеличения деформации требуется все больше повышать напряжение. Такое явление называется деформационным или механическим упрочнением (а также наклепом). Его можно продемонстрировать, скручивая или многократно перегибая металлическую проволоку. Деформационное упрочнение металлических изделий часто осуществляется на заводах. Листовую латунь, медную проволоку, алюминиевые стержни можно холодной прокаткой или холодным волочением довести до уровня твердости, который требуется от окончательной продукции.

Твердость материала – это его способность сопротивляться пластической деформации. Поскольку испытания на растяжение требуют дорогостоящего оборудования и больших затрат времени, часто прибегают к более простым испытаниям на твердость. При испытаниях по методам Бринелля и Роквелла в поверхность металла при заданных нагрузке и скорости нагружения вдавливают «индентор» (наконечник, имеющий форму шара или пирамиды). Затем измеряют (часто это делается автоматически) размер отпечатка, и по нему определяют показатель (число) твердости. Чем меньше отпечаток, тем больше твердость. Твердость и предел текучести – это в какой-то мере сравнимые характеристики: обычно при увеличении одной из них увеличивается и другая.

Может сложиться впечатление, что в металлических материалах всегда желательны максимальные предел текучести и твердость. На самом деле это не так, и не только по экономическим соображениям (процессы упрочнения требуют дополнительных затрат).

Во-первых, материалам необходимо придавать форму различных изделий, а это обычно осуществляется с применением процессов (прокатки, штамповки, прессования), в которых важную роль играет пластическая деформация. Даже при обработке на металлорежущем станке очень существенна пластическая деформация. Если твердость материала слишком велика, то для придания ему нужной формы требуются слишком большие силы, вследствие чего режущие инструменты быстро изнашиваются. Такого рода трудности можно уменьшить, обрабатывая металлы при повышенной температуре, когда они становятся мягче. Если же горячая обработка невозможна, то используется отжиг металла (медленные нагрев и охлаждение).

Во-вторых, по мере того как металлический материал становится тверже, он обычно теряет пластичность. Иначе говоря, материал становится хрупким, если его предел текучести столь велик, что пластическая деформация не происходит вплоть до тех напряжений, которые сразу же вызывают разрушение. Конструктору обычно приходится выбирать какие-то промежуточные уровни твердости и пластичности.

Ползучестью (или крипом) называется медленное нарастание пластической деформации металла под действием постоянной нагрузки. С появлением воздушно-реактивных двигателей, газовых турбин и ракет стали приобретать все более важное значение свойства материалов при повышенных температурах. Во многих областях техники дальнейшее развитие сдерживается ограничениями, связанными с высокотемпературными механическими свойствами материалов.

При нормальных температурах пластическая деформация устанавливается почти мгновенно, как только прикладывается соответствующее напряжение, и в дальнейшем мало увеличивается. При повышенных же температурах металлы не только становятся мягче, но и деформируются так, что деформация продолжает нарастать со временем. Такая зависящая от времени деформация, или ползучесть, может ограничивать срок службы конструкций, которые должны длительное время работать при повышенных температурах.

Чем больше напряжения и чем выше температура, тем больше скорость ползучести. Типичные кривые ползучести представлены на рис. 1. После начальной стадии быстрой (неустановившейся) ползучести эта скорость уменьшается и становится почти постоянной. Перед разрушением скорость ползучести вновь увеличивается. Температура, при которой ползучесть становится критической, неодинакова для разных металлов. Предметом забот телефонных компаний является ползучесть подвесных кабелей в свинцовой оболочке, работающих при обычных температурах окружающей среды; в то же время некоторые специальные сплавы могут работать при 800° С, не обнаруживая чрезмерной ползучести.

Рис. 1. ТИПИЧНЫЕ КРИВЫЕ ПОЛЗУЧЕСТИ.

После стадии быстрой неустановившейся ползучести скорость ползучести уменьшается и становится почти постоянной, а затем наступает стадия ускоренной ползучести, которая завершается разрушением.

Срок службы деталей в условиях ползучести может определяться либо предельно допустимой деформацией, либо разрушением, и конструктор должен всегда иметь в виду эти два возможных варианта. Пригодность материалов для изготовления изделий, рассчитанных на длительную работу при повышенных температурах, например лопаток турбин, трудно оценить заранее. Испытания за время, равное предполагаемому сроку службы, зачастую практически невозможны, а результаты кратковременных (ускоренных) испытаний не так просто экстраполировать на более длительные сроки, поскольку может измениться характер разрушения. Хотя механические свойства жаропрочных сплавов постоянно улучшаются, перед металлофизиками и материаловедами всегда будет стоять задача создания материалов, способных выдерживать еще более высокие температуры.