К основным механическим свойствам относят прочность, пластичность, твердость, ударную вязкость и упругость. Большинство показателей механических свойств определяют экспериментально растяжением стандартных образцов на испытательных машинах.
Прочность - способность металла сопротивляться разрушению при действии на него внешних сил.
Пластичность - способность металла необратимо изменять свою форму и размеры под действием внешних и внутренних сил без разрушения.
Твердость - способность металла сопротивляться внедрению в него более твердого тела. Твердость определяют с помощью твердомеров внедрением стального закаленного шарика в металл (на приборе Бринелля) или внедрением алмазной пирамиды в хорошо подготовленную поверхность образца (на приборе Роквелла). Чем меньше размер отпечатка, тем больше твердость испытуемого металла. Например, углеродистая сталь до закалки имеет твердость 100 . . . 150 НВ (по Бринеллю) , а после закалки - 500 . . . 600 НВ.
Ударная вязкость - способность металла сопротивляться действию ударных нагрузок. Эта величина, обозначаемая КС (Дж/см 2 или кгс м/см), определяется отношением механической работы А, затраченной на разрушение образца при ударном изгибе, к площади поперечного сечения образца.
Упругость - способность металла восстанавливать форму и объем после прекращения действий внешних сил. Эта величина характеризуется модулем упругости Е (МПа или кгс/мм 2), который равен отношению напряжения а к вызванной им упругой деформации . Высокой упругостью должны обладать стали и сплавы для изготовления рессор и пружин.
Под механическими свойствами понимают характеристики, определяющие поведение металла (или другого материала) под действием приложенных внешних механических сил. К механическим свойствам обычно относят сопротивление металла (сплава) деформации (прочность) и сопротивление разрушению (пластичность, вязкость, а также способность металла не разрушаться при наличии трещин).
В результате механических испытаний получают числовые значения механических свойств, т. е. значения напряжений или деформаций, при которых происходят изменения физического и механического состояний материала.
При оценке механических свойств металлических материалов различают несколько групп их критериев.
Критерии конструктивной прочности металлических материалов можно разделить на две группы:
Критерии оценки прочности конструкции в целом (конструкционной прочности), определяемые при стендовых, натурных и эксплуатационных испытаниях. При этих испытаниях выявляется влияние на прочность и долговечность конструкции таких факторов, как распределение и величина остаточных напряжений , дефектов технологии изготовления и конструирования металлоизделий и т. д.
Для решения практических задач металловедения необходимо определять как стандартные механические свойства, так и критерии конструктивной прочности.
Механические свойства оценивают способность материала сопротивляться механическим нагрузкам, характеризуют работоспособность изделий.
Механическими называются свойства, которые определяются при испытаниях под действием внешних нагрузок - результатом этих испытаний являются количественные характеристики механических свойств. Механические свойства характеризуют поведение материала под действием напряжений (приводящих к деформации и разрушению), действующих как в процессе изготовления изделий (литье, сварка, обработка давлением и др.), так и при эксплуатации.
Стандартные характеристики механических свойств определяют в лабораторных условиях на образцах стандартных размеров посредством создания необратимой пластической деформации или разрушения образцов. Испытания проводят в условиях воздействия внешних нагрузок: растяжение, сжатие, кручение, удар; в условиях знакопеременных и изнашивающих нагрузок. Значения полученных характеристик обычно приводятся в справочниках.
Примером могут служить характеристики:
Сопротивление разрушению, оцениваемое пределом прочности, или временным сопротивлением - это максимальная удельная нагрузка (напряжение), которую выдерживает материал до разрушения при его растяжении;
Сопротивление пластической деформации, оцениваемое пределом текучести - это напряжение, при котором начинается пластическая деформация материала при растяжении;
Сопротивление упругим деформациям, оцениваемое пределом упругости - это напряжение, выше которого материал приобретает остаточные деформации;
Способность выдерживать пластические деформации, оцениваемые относительным удлинением образца при растяжении и относительным сужением его поперечного сечения;
Способность сопротивляться динамическим нагрузкам, оцениваемая ударной вязкостью;
Твердость, оцениваемая сопротивлением материала проникновению индентора (эталонного образца).
Механические свойства материалов определяют в статических и динамических условиях нагружения.
Эластичность характеризует упругие свойства полимера, способность материала к большим обратимым изменениям формы при малых нагрузках из-за колебания звеньев и способности макромолекул изгибаться.
К статическим испытаниям относятся также испытания на сжатие, кручение, изгиб и другие виды нагружения.
Общим недостатком статических методов определения физико-механических свойств материалов является необходимость разрушения образца, что исключает возможность дальнейшего использования детали по прямому назначению в результате вырезки из нее образца для испытания.
Определение твердости . Это метод неразрушающего контроля механических свойств материала при статической нагрузке. Твердость оценивают главным образом у металлов, так как для большинства неметаллических материалов твердость не является свойством, определяющим их работоспособность.
Твердость оценивают по сопротивлению материала проникновению в него при статической нагрузке инородного тела правильной геометрической формы, имеющего эталонную твердость (рис. 14).
Рис. 14 Определение твердости материалов: а - схема нагружения; б - измерение твердости по Бриннелю ; в - измерение твердости по Виккерсу
Вдавливание эталонного образца в испытуемый образец выполняется на специальных приборах, из которых чаще применяют приборы Бриннеля, Роквелла, Виккерса.
Метод Бриннеля является наиболее распространенным - в образец вдавливают шарик из закаленной стали. Диаметр отпечатка d отп измеряют с помощью лупы со шкалой. Далее по таблицам находят твердость материала. В испытаниях по методу Виккерса используется алмазный резец, а по методу Роквелла - алмазный конус.
Люминесценция (флюоресценция и фосфоресценция) - эффекты свечения при поглощении энергии падающего света, механического воздействия, химических реакций или тепла.
Оптические свойства веществ имеют огромное прикладное значение. Преломление света используется для изготовления линз оптических приборов, отражение - теплоизоляция: подбором соответствующих покрытий можно влиять на свойства материалов с целью поглощения или отражения теплового излучения, но пропуская видимый свет. Оконные стекла имеют характерный цвет для кондиционирования.
Широко применяются самоокрашивающиеся очки-хамелеоны, флюоресцирующие светильники и экраны осциллографов. Используются металлические покрытия (анодированный алюминий) для декоративных целей (значение имеет отражательная способность материала), прецизионные зеркала металлизированных поверхностей.
Декоративные свойства материалов определяются их внешним видом и зависят от их наружного рисунка, дизайна, текстуры, структуры, способа обработки поверхности, от наличия покрытий и рельефов.
Биологические свойства материалов определяются:
Их воздействием на окружающую среду, степенью их токсичности для живых организмов;
Их пригодностью для существования и развития каких-либо организмов (грибков, насекомых, плесени и пр.).
Под механическими свойствами понимают характеристики, определяющие поведение металла (или другого материала) под действием приложенных внешних механических сил. К механическим свойствам обычно относят сопротивление металла (сплава) деформации (прочность) и сопротивление разрушению (пластичность, вязкость, а также способность металла не разрушаться при наличии трещин).
В результате механических испытаний получают числовые значения механических свойств, т. е. значения напряжений или деформаций, при которых происходят изменения физического и механического состояний материала.
При оценке механических свойств металлических материалов различают несколько групп их критериев.
1. Критерии, определяемые независимо от конструктивных особенностей и характера службы изделий. Эти критерии находятся путем стандартных испытаний гладких образцов на растяжение, сжатие, изгиб, твердость (статические испытания) или на ударный изгиб образцов с надрезом (динамические испытания).
Прочностные и пластические свойства, определяемые при статических испытаниях на гладких образцах хотя и имеют важное значение (они входят в расчетные формулы) во многих случаях не характеризуют прочность этих материалов в реальных условиях эксплуатации деталей машин и сооружений. Они могут быть использованы только для ограниченного числа простых по форме изделий, работающих в условиях статической нагрузки при температурах, близких к нормальной.
2. Критерии оценки конструктивной прочности материала, которые находятся в наибольшей корреляции со служебными свойствами данного изделия и характеризуют работоспособность материала в условиях эксплуатации.
Критерии конструктивной прочности металлических материалов можно разделить на две группы:
а) критерии, определяющие надежность металлических материалов против внезапных разрушений (вязкость разрушения, работа, поглощаемая при распространении трещин, живучесть и др.). В основе этих методик, использующих основные положения механики разрушения, лежат статические или динамические испытания образцов с острыми трещинами, которые имеют место в реальных деталях машин и конструкциях в условиях эксплуатации (надрезы, сквозные отверстия, неметаллические включения, микропустоты и т. д.). Трещины и микронесплошности сильно меняют поведение металла под нагрузкой, так как являются концентраторами напряжений;
б) критерии, которые определяют долговечность изделий (сопротивление усталости, износостойкость, сопротивление коррозии и т. д.).
3. Критерии оценки прочности конструкции в целом (конструкционной прочности), определяемые при стендовых, натурных и эксплуатационных испытаниях. При этих испытаниях выявляется влияние на прочность и долговечность конструкции таких факторов, как распределение и величина остаточных напряжений, дефектов технологии изготовления и конструирования металлоизделий и т. д.
Для решения практических задач металловедения необходимо определять как стандартные механические свойства, так и критерии конструктивной прочности.
Механические свойства характеризуют способность материалов сопротивляться действию внешних сил. К основным механическим свойствам относятся прочность, твердость, ударная вязкость, упругость, пластичность, хрупкость и др.
Прочность - это способность материала сопротивляться разрушающему воздействию внешних сил.
Твердость - это способность материала сопротивляться внедрению в него другого, более твердого тела под действием нагрузки.
Вязкостью называется свойство материала сопротивляться разрушению под действием динамических нагрузок.
Упругость - это свойство материалов восстанавливать свои размеры и форму после прекращения действия нагрузки.
Пластичностью называется способность материалов изменять свои размеры и форму под действием внешних сил, не разрушаясь при этом.
Хрупкость - это свойство материалов разрушаться под действием внешних сил без остаточных деформаций.
Твердость – это сопротивление материала проникновению в его поверхность стандартного тела (индентора), не деформирующегося при испытании.
Широкое распространение объясняется тем, что не требуются специальные образцы.
Это неразрушающий метод контроля. Основной метод оценки качества термической обработке изделия. О твердости судят либо по глубине проникновения индентора (метод Роквелла), либо по величине отпечатка от вдавливания (методы Бринелля, Виккерса, микротвердости).
Во всех случаях происходит пластическая деформация материала. Чем больше сопротивление материала пластической деформации, тем выше твердость.
Наибольшее распространение получили методы Бринелля, Роквелла, Виккерса и микротвердости. Схемы испытаний представлены на рис. 3.1.
Рис. 3.1. Схемы определения твердости: а – по Бринеллю; б – по Роквеллу; в – по Виккерсу
Твердость по Бринеллю (ГОСТ 9012)
Испытание проводят на твердомере Бринелля (рис.3.1 а)
В качестве индентора используется стальной закаленный шарик диаметром D 2,5; 5; 10 мм, в зависимости от толщины изделия.
Нагрузка Р, в зависимости от диаметра шарика и измеряемой твердости: для термически обработанной стали и чугуна – , литой бронзы и латуни – , алюминия и других очень мягких металлов – .
Продолжительность выдержки : для стали и чугуна – 10с, для латуни и бронзы – 30с.
Полученный отпечаток измеряется в двух направлениях при помощи лупы Бринелля.
Твердость определяется как отношение приложенной нагрузки Р к сферической поверхности отпечатка F:
Стандартными условиями являются D = 10 мм; Р = 3000 кгс; = 10 с. В этом случае твердость по Бринеллю обозначается НВ 250, в других случаях указываются условия: НВ D / P / , НВ 5/ 250 /30 – 80.
Метод Роквелла (ГОСТ 9013)
Основан на вдавливании в поверхность наконечника под определенной нагрузкой (рис. 3.1 б)
Индентор для мягких материалов (до НВ 230) – стальной шарик диаметром 1/16” ( 1,6 мм), для более твердых материалов – конус алмазный.
Нагружение осуществляется в два этапа. Сначала прикладывается предварительная нагрузка (10 ктс) для плотного соприкосновения наконечника с образцом. Затем прикладывается основная нагрузка Р 1 , в течение некоторого времени действует общая рабочая нагрузка Р. После снятия основной нагрузки определяют значение твердости по глубине остаточного вдавливания наконечника h под нагрузкой .
В зависимости от природы материала используют три шкалы твердости.
Шкалы для определения твердости по Роквеллу
Метод Виккерса
Твердость определяется по величине отпечатка (рис.3.1 в).
В качестве индентора используется алмазная четырехгранная пирамида с углом при вершине 136 o .
Твердость рассчитывается как отношение приложенной нагрузки P к площади поверхности отпечатка F:
Нагрузка Р составляет 5…100 кгс. Диагональ отпечатка d измеряется при помощи микроскопа, установленного на приборе.
Преимущество данного способа в том, что можно измерять твердость любых материалов, тонкие изделия, поверхностные слои. Высокая точность и чувствительность метода.
Способ микротвердости – для определения твердости отдельных структурных составляющих и фаз сплава, очень тонких поверхностных слоев (сотые доли миллиметра).
Аналогичен способу Виккерса. Индентор – пирамида меньших размеров, нагрузки при вдавливании Р составляют 5…500 гс
Метод царапания.
Алмазным конусом, пирамидой или шариком наносится царапина, которая является мерой. При нанесении царапин на другие материалы и сравнении их с мерой судят о твердости материала.
Можно нанести царапину шириной 10 мм под действием определенной нагрузки. Наблюдают за величиной нагрузки, которая дает эту ширину.
Динамический метод (по Шору)
Шарик бросают на поверхность с заданной высоты, он отскакивает на определенную величину. Чем больше величина отскока, тем тверже материал.
В результате проведения динамических испытаний на ударный изгиб специальных образцов с надрезом (ГОСТ 9454) оценивается вязкость материалов и устанавливается их склонность к переходу из вязкого состояния в хрупкое.
Вязкость – способность материала поглощать механическую энергию внешних сил за счет пластической деформации.
Является энергетической характеристикой материала, выражается в единицах работы Вязкость металлов и сплавов определяется их химическим составом, термической обработкой и другими внутренними факторами.
Также вязкость зависит от условий, в которых работает металл (температуры, скорости нагружения, наличия концентраторов напряжения).
Ударная вязкость определяется работой А, затраченной на разрушение образца, отнесенной к площади его поперечного сечения F; Дж/м 2:
Испытания проводятся ударом специального маятникового копра. Для испытания применяется стандартный надрезанный образец, устанавливаемый на опорах копра. Маятник определенной массы наносит удар по стороне противоположной надрезу.
Технологические свойства определяют способность материалов подвергаться различным видом обработки. Литейные свойства характеризуются способностью металлов и сплавов в расплавленном состоянии хорошо заполнять полость литейной формы и точно воспроизводить ее очертания (жидкотекучестью), величиной уменьшения объема при затвердевании (усадкой), склонностью к образованию трещин и пор, склонностью к поглощению газов в расплавленном состоянии.
Ковкость - это способность металлов и сплавов подвергаться различным видам обработки давлением без разрушения.
Свариваемость определяется способностью материалов образовывать прочные сварные соединения.
Обрабатываемость резанием определяется способностью материалов поддаваться обработке режущим инструментом.
Технические способности - взаимосвязанные и проявляющиеся независимо друг от друга личностные качества: к пониманию техники, к обращению с техникой, к изготовлению технических изделий, к техническому изобретательству.
Считается, что это те способности, которые проявляются в работе с оборудованием или его частями. При этом учитывается, что такая работа требует особых умственных способностей, а также высокого уровня развития сенсомоторных способностей, ловкости, физической силы. Л. Терстон рассматривает технические способности как общие умственные. Показано, что наряду с некоторой общей способностью, которая может рассматриваться как общая техническая одаренность или технический опыт, приобретаемый человеком в работе с техникой, существуют независимые факторы: пространственные представления и техническое понимание. Под пространственными представлениями имеют в виду способность оперировать зрительными образами, например, при восприятии геометрических фигур. Техническое понимание - это способность правильно воспринимать пространственные модели, сравнивать их с друг другом, узнавать одинаковые и находить разные. В соответствии с таким разделением на два фактора создаются и типы тестов. Самые первые создатели тестов технических способностей требовали от испытуемых умения собирать технические приспособления из отдельных деталей. В настоящее время большинство таких тестов созданы в виде бланковых методик.
Технические способности рассматриваются как общие умственные способности. Существуют независимые факторы технических способностей:
Тесты технических способностей - диагностика способностей, проявляющиеся в работе с оборудованием или его частями.
Тесты технических способностей направлены на выявление знаний, опыта, накопленного испытуемым. Они не позволяют судить о способах их приобретения, например:
Смысл технического мышления состоит в решении задач, в процессе их решения и формируются необходимые качества технического мышления.
Чтобы решить технологическую задачу необходимо :
Развитие технического мышления является сложным процессом, протекает обычно довольно медленно и зависит от общего интеллекта, практических навыков, способностей человека к техническому мышлению и прочих факторов.
Психологический тест Беннета на понимание техники (механической понятливости) предназначен для определения технических способностей у детей подросткового (с 12 лет), юношеского возраста и взрослых. Содержит 60 заданий, требующих решения технических задач. В каждом задании испытуемые должны выбирать правильный ответ из трех вариантов. Длительность теста 27 минут.
Каждый правильный ответ оценивается одним баллом. Уровень технических способностей определяется с помощью специальной оценочной таблицы. Шкальная оценка имеет шесть градаций :
