Испытание стали на прочность. Open Library - открытая библиотека учебной информации. Испытание на растяжение

Использовать металлы в повседневной жизни начали еще вначале развития человечества. Медь - это первый их представитель. Она доступна в природе и прекрасно обрабатывается. При археологических раскопках часто находят изготовленные из нее предметы домашнего обихода и разные изделия.

В процессе развития человек обучался объединять разные металлы, производя сплавы большей прочности. Из них делали орудия труда, а позже использовали для изготовления оружия. Опыты продолжаются и в наше время, создаются сплавы с удельной прочностью металлов, пригодные для возведения современных конструкций.

Виды нагрузок

К механическим свойствам металлов и сплавов относятся такие, которые способны оказывать сопротивление действию на них внешних сил или нагрузок. Они могут быть самыми разнообразными и по своему воздействию различают:

• статические, которые неспешно возрастают от нулевого значения до максимума, а затем остаются постоянными или незначительно меняются;
• динамические - возникают вследствие удара и действуют короткий промежуток.

Виды деформации

Деформация - это видоизменение конфигурации твердого тела под воздействием прилагаемых к нему нагрузок (внешних сил). Деформации, после которых материал возвращается в прежнюю форму и сохраняет первоначальные размеры, считают упругими, в противном случае (форма изменилась, материал удлинился) - пластическими или остаточными. Существует несколько видов деформации:

• Сжатие. Уменьшается объем тела в результате действия на него сдавливающих сил. Такую деформацию испытывают фундаменты котлов и машин.
• Растяжение. Увеличивается длина тела, когда к его концам прилагаются силы, направление которых совпадает с его осью. Растяжению подвергаются тросы, приводные ремни.
• Сдвиг или срез. В этом случае силы направлены навстречу друг другу и при определенных условиях наступает срез. Примером служат заклепки и болты стяжки.
• Кручение. Пара сил, противоположно направленных, действует на закрепленное одним концом тело (валы двигателей и станков).
• Изгиб. Изменение кривизны тела при воздействии внешних сил. Такое действие характерно для балок, стрел подъемных кранов, железнодорожных рельсов.

Определение прочности металла

Одно из основных требований, которое предъявляют к металлу, применяемому для производства металлических конструкций и деталей, является прочность. Для ее определения берется образец металла и растягивается на испытательной машине. Эталон становится тоньше, площадь поперечного сечения уменьшается с одновременным увеличением его длины. В определенный момент образец начинает растягиваться лишь в одном месте, образуя «шейку». А через некоторое время происходит разрыв в области самого тонкого места. Так ведут себя исключительно вязкие металлы, хрупкие: твердая сталь и чугун растягиваются незначительно и у них не образуется шейка.

Нагрузка на образец определяется специальным прибором, который носит название силоизмеритель, он вмонтирован в испытательную машину. Для вычисления основной характеристики металла, называемой пределом прочности материала, надо максимальную нагрузку, выдержанную образцом до разрыва, разделить на величину площади поперечного сечения до растяжения. Эта величина необходима конструктору для того, чтобы определиться с размерами изготовляемой детали, и технологу назначить режимы обработки.

Самые прочные металлы в мире

К высокопрочным металлам можно отнести следующие:

• Титан. Он обладает такими свойствами:

  • высокой удельной прочностью;
  • стойкостью к повышенным температурам;
  • низкой плотностью;
  • стойкостью к коррозии;
  • механической и химической выносливостью.

Титан находит применение в медицине, военной промышленности, кораблестроении, авиации.

• Уран. Самый известный и прочный металл в мире, является слабым радиоактивным материалом. Встречается в природе в чистом виде и в соединениях. Он относится к тяжелым металлам, гибкий, ковкий и относительно пластичный. Широко используется в производственных сферах.
• Вольфрам. Расчет прочности металла показывает, что это самый прочный и тугоплавкий металл, не поддающийся химическому воздействию. Хорошо куется, его можно вытянуть в тонкую нить. Используется для нити накаливания.
• Рений. Тугоплавкий, имеет высокую плотность и твердость. Очень прочный, не подвержен перепадам температуры. Находит применение в электронике и технике.
• Осмий. Твердый металл, тугоплавкий, стойкий к механическим повреждениям и агрессивным средам. Применяют в медицине, используют для ракетной техники, электронной аппаратуры.
• Иридий. В природе в свободном виде встречается редко, чаще - в соединениях с осмием. Механической обработке поддается плохо, имеет высокую стойкость к химическим веществам и прочность. Сплавы с металлом: титаном, хромом, вольфрамом, используют для изготовления ювелирных изделий.
• Бериллий. Высокотоксичный металл с относительной плотностью, имеющий светло-серый цвет. Находит применение в черной металлургии, атомной энергетике, лазерной и аэрокосмической технике. Имеет высокую твердость и используется для легирования сплавов.
• Хром. Очень твердый металл с высокой прочностью, бело-голубого цвета, обладает стойкостью к щелочам и кислотам. Прочность металла и сплавов позволяют их использовать для изготовления медицинского и химического оборудования, а также для металлорежущих инструментов.

• Тантал. Металл серебристого цвета, имеет высокую твердость, прочность, обладает тугоплавкостью и стойкостью к коррозии, пластичен, легко обрабатывается. Находит применение при создании ядерных реакторов, в металлургии и химической промышленности.
• Рутений. Принадлежит к Обладает высокой прочностью, твердостью, тугоплавкостью, химической стойкостью. Из него изготовляют контакты, электроды, острые наконечники.

Как определяют свойства металлов?

Для испытания металлов на прочность применяют химические, физические и технологические методы. Твердость определяет, как сопротивляются материалы деформациям. Стойкий металл имеет большую прочность и детали, изготовленные из него, меньше снашиваются. Для определения твердости вдавливают шарик, алмазный конус или пирамидку в металл. Значение твердости устанавливают по диаметру отпечатка или по глубине вдавливания предмета. Более крепкий металл меньше деформируется, и глубина отпечатка будет меньше.

А вот образцы на растяжение испытываются на разрывных машинах с плавно нарастающей при растягивании нагрузкой. Эталон может иметь в сечении круг или квадрат. Для проверки металла противостоять нагрузкам ударного характера проводят испытания на удар. В середине специально изготовленного образца делают надрез и устанавливают его напротив ударного устройства. Разрушение должно происходить там, где слабое место. При испытании металлов на прочность структуру материала исследуют рентгеновскими лучами, ультразвуком и при помощи мощных микроскопов, а также используют травление химическими веществами.

К технологическим относятся самые простые виды испытаний на разрушение, пластичность, ковку, сварку. Испытание на выдавливание дает возможность определить, способен ли листовой материал подвергаться холодной штамповке. С помощью шарика в металле выдавливают лунку, пока не появится первая трещина. Глубина ямки до появления разрушения и будет характеризовать пластичность материала. Испытание на изгиб дает возможность определить способность листового материала принимать нужную форму. Это испытание используют для оценки качества швов при сварке. Для оценки качества проволоки используется проба на перегиб. Трубы испытывают на расплющивание и изгиб.

Механические свойства металлов и сплавов

К из металла относятся следующие:

1. Прочность. Она заключается в способности материала оказывать сопротивление разрушению под воздействием сил извне. Вид прочности зависит от того, как действуют внешние силы. Ее разделяют на: сжатие, растяжение, кручение, изгиб, ползучесть, усталость.
2. Пластичность. Это способность металлов и их сплавов под воздействием нагрузки менять форму, не подвергаясь разрушению, и сохранять ее после окончания воздействия. Пластичность материала из металла определяют при его растяжении. Чем больше происходит удлинение, при одновременном уменьшении сечения, тем пластичнее металл. Материалы, обладающие хорошей пластичностью, прекрасно обрабатываются давлением: ковке, прессованию. Пластичность характеризуют двумя величинами: относительное сужение и удлинение.
3. Твердость. Такое качество металла заключается в способности оказывать сопротивление проникновению в него инородного тела, имеющего более значительную твердость, и не получить при этом остаточных деформаций. Износоустойчивость и прочность - это основные характеристики металлов и сплавов, которые тесно связаны с твердостью. Материалы с такими свойствами находят применение для изготовления инструментов, применяемых для обработки металлов: резцы, напильники, сверла, метчики. Нередко по твердости материала определяют его износоустойчивость. Так твердые стали при эксплуатации изнашиваются меньше, чем более мягкие сорта.
4. Ударная вязкость. Особенность сплавов и металлов сопротивляться влиянию нагрузок, сопровождающихся ударом. Это одна из важных характеристик материала, из которого изготовлены детали, испытывающие ударную нагрузку, во время работы машины: оси колес, коленчатые валы.
5. Усталость. Это состояние металла, который находится под постоянным воздействием нагрузок. Усталость металлического материала происходит постепенно и может закончиться разрушением изделия. Способность металлов оказывать сопротивление разрушению от усталости называют выносливостью. Это свойство находится в зависимости от природы сплава или металла, состояния поверхности, характера обработки, условий работы.

Классы прочности и их обозначения

Нормативными документами по механическим свойствам крепежных изделий введено понятие класс прочности металла и установлена система обозначения. Каждый класс прочности обозначается двумя цифрами, между которыми ставится точка. Первое число означает предел прочности, уменьшенный в 100 раз. Например, класс прочности 5.6 означат, что предел прочности будет 500. Второе число увеличено в 10 раз - это отношение к временному сопротивлению, выраженному в процентах (500х0,6=300), т. е. 30 % составляет минимальный предел текучести от предела прочности на растяжение. Все изделия, используемые для крепежа, классифицируются по назначению применения, форме, используемому материалу, классу прочности и покрытию. По назначению использования они бывают:

• Лемешные. Их используются для сельскохозяйственных машин.
• Мебельные. Применяются в строительстве и мебельном производстве.
• Дорожные. Ими крепят металлоконструкции.
• Машиностроительные. Применяют в машиностроительной промышленности и приборостроении.

Механические свойства крепежных изделий зависят от стали, из которой они изготовлены и качества обработки.

Удельная прочность

Удельная прочность материала (формула ниже) характеризуется отношением предела прочности к плотности металла. Эта величина показывает прочность конструкции при данной его массе. Наибольшую важность она представляет для таких отраслей, как авиастроение, ракетостроение и производство космических аппаратов.

По величине удельной прочности сплавы из титана самые прочные из всех применяемых технических материалов. вдвое превышают удельную прочность металлов, относящихся к легированным сталям. Они не поддаются коррозии на воздухе, в кислотной и щелочной среде, не боятся морской воды и обладают хорошей теплоустойчивостью. При высоких температурах их прочность выше, чем у сплавов с магнием и алюминием. Благодаря этим свойствам их применение, как конструкционного материала, все время увеличивается и находит широкое использование в машиностроении. Недостаток титановых сплавов заключается в их низкой обрабатываемости резанием. Это связано с физическими и химическими свойствами материала и особой структурой сплавов.

Выше приведена таблица удельной прочности металлов.

Использование пластичности и прочности металлов

Очень важными свойствами металла являются пластичность и прочность. Эти свойства находятся в прямой зависимости друг от друга. Они не позволяют металлу изменять форму и препятствуют макроскопическому разрушению при воздействии на него внешних и внутренних сил.

Металлы, обладающие высокой пластичностью, под воздействием нагрузки разрушаются постепенно. Вначале у них появляется изгиб и только затем он начинает постепенно разрушаться. Пластичные металлы легко меняют форму, поэтому их широко используют для изготовления кузовов автомобилей. Прочность и пластичность металлов зависит от того, как направлены приложенные к нему силы и в каком направлении проводилась прокатка при изготовлении материала. Установлено, что при прокатке кристаллы металла удлиняются в ее направлении больше, чем в поперечной направленности. У листовой стали прочность и пластичность значительно больше в направлении прокатки. В поперечном же направлении прочность уменьшается на 30 %, а пластичность на 50 %, по толщине листа эти показатели еще ниже. Например, появление излома на стальном листе при сваривании можно объяснить параллельностью оси шва и направления прокатки. По пластичности и прочности материала устанавливают возможность его использования для изготовления различных деталей машин, сооружений, инструментов, приборов.

Нормативное и расчетное сопротивление металла

Одним из основных параметров, которые характеризуют сопротивление металлов воздействиям силы, является нормативное сопротивление. Оно устанавливается по нормам проектирования. Расчетное сопротивление получается в результате деления нормативного на соответствующий коэффициент надежности по данному материалу. В некоторых случаях учитывают еще и коэффициент условий работы конструкций. В вычислениях, имеющих практическое значение, в основном используют расчетное сопротивление металла.

Пути повышения прочности металла

Существует несколько способов повышения прочности металлов и сплавов:

• Создание сплавов и металлов, имеющих бездефектную структуру. Имеются разработки по изготовлению нитевидных кристаллов (усов) в несколько десятков раз превышающих прочность обыкновенных металлов.
• Получение объемного и поверхностного наклепа искусственным путем. При обработке металла давлением (ковка, волочение, прокатка, прессование) образуется объемный наклеп, а накатка и дробеструйная обработка дает поверхностный наклеп.
• Создание используя элементы из таблицы Менделеева.
• Очищение металла, от имеющихся в нем примесей. В результате этого улучшаются его механические свойства, распространение трещин значительно уменьшается.
• Устранение с поверхности деталей шероховатости.

• Сплавы из титана, удельный вес которых превышает алюминиевые примерно на 70 %, прочнее их в 4 раза, поэтому, по удельной прочности сплавы, содержащие титан, выгоднее использовать для самолетостроения.
• Многие алюминиевые сплавы превышают удельную прочность сталей, содержащих углерод. Сплавы из алюминия имеют высокую пластичность, коррозийную стойкость, прекрасно обрабатываются давлением и резанием.
• У пластмасс удельная прочность выше, чем у металлов. Но из-за недостаточной жесткости, механической прочности, старения, повышенной хрупкости и малой термостойкости ограничены в применении текстолиты и гетинаксы, особенно в крупногабаритных конструкциях.
• Установлено, что по выносливости к коррозии и удельной прочности, металлы черные, цветные и многие их сплавы уступают стеклопластикам.

Механические свойства металлов являются важнейшим фактором использования их в практических нуждах. Проектируя какую-то конструкцию, деталь или машину и подбирая материал, обязательно рассматривают все механические свойства, которыми он обладает.

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 к разрушению (пластичность, вязкость) а так же 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 служб изделий. Эти критерии находятся путем стандартных испытаний гладких образцов на растяжение, сжатие, изгиб, твердость (статические испытания) или на ударный изгиб образцов с надрезом (динамическое испытание).

2. Критерий оценки конструктивной прочности материала, которые находятся в наибольшей корреляции со служебными свойствами данного изделия и характеризует работоспособность материала в условиях эксплуатации. Критерий конструктивной прочности металлических материалов можно разделить на две группы:

Критерии, определяющие надежность металлических материалов против внезапных разрушений (вязкость, разрушения, работа, поглощаемая при распространении трещин, живучесть и др.)

Критерии, определяющие долговечность изделий (сопротивление усталости, износостойкость, сопротивление коррозии и т.д.)

3. Критерии оценки прочности конструкции в целом (конструкционной прочности), определяемые при стендовых, натуральных и эксплуатационных испытаниях.

Для решения практических задач металловедения необходимо определять как стандартные механические свойства, так и критерии конструктивной прочности.

7. Методы испытаний

7.1. Испытания на растяжение. Для данного испытания применяется образец цилиндрической формы с утолщениями по краям (рис. 6).

Рис. 6. Образцы для испытания на растяжение

Образец укрепляется в захваты испытательной машины и подвергается растяжению. В современных машинах скорость растяжения может изменяться в широких пределах от 0,003-3000 мм/мин. Испытательные машины оснащены устройством, регистрирующим результат испытания – кривую деформации (рис. 7). По результатам испытаний на растяжение определяются характеристики прочности и пластичности.

Приложение к металлу напряжений вызывает деформацию. Деформация может быть упругой, исчезающей после снятия нагрузки, и пластической, остающейся после снятия нагрузки. На приведенной диаграмме (рис. 7а), упругая деформация характеризуется линией ОА и ее продолжением (штриховая линия).

Выше точки А нарушается пропорциональность между напряжением и деформацией. Напряжение вызывает уже не только упругую, но и остаточную пластическую деформацию. Величина ее равна горизонтальному отрезку от штриховой линии до сплошной кривой.

При упругом деформировании под воздействием внешних сил изменяется расстояние между атомами в кристаллической решетке. Снятие нагрузки устраняет причину, вызвавшую изменения межатомного расстояния, атомы становятся на прежние места и деформация исчезает

При пластическом деформировании одна часть кристалла перемещается по отношению к другой. При снятии нагрузки перемещенная часть кристалла не возвратится на старое место деформация сохраниться.

Представленная на рис. 7а зависимость ОАВ между приложенным извне напряжением (s) и вызванной им относительной деформацией (e) характеризует относительные свойства металлов. Наклон прямой ОА показывает жесткость металла, тангенс угла наклона пропорционален модулю упругости (Е), напряжение s А соответствует моменту появления пластической деформации, в технических измерениях принята характеристика, именуемая пределом текучестиs 0,2 (напряжение вызывающее остаточную деформацию, равную 0,2% от длины или другого размера образца). Максимальное напряжение s в соответствует максимальному напряжению, достигнутому при растяжении называется пределом прочности.

Рис. 7. Изменение деформации в зависимости от напряжения

Величина пластической деформации, предшествующая разрушению и определяемая как относительное изменение длины (или поперечного сечения) – так называемое относительное удлинение d (или относительное сужение y), характеризуют пластичность металла.

Относительное удлинение: d = (l к - l 0) 100/ l 0

Относительно сужение: y = (F 0 - F к) 100/ F 0

где l 0 и l к - длина образца, а F 0 и F к площадь поперечного сечения образца до и после разрушения соответственно.

Характеристики материалов s 0,2 , s B , d, y, а также E являются базовыми - они включаются в ГОСТ на поставку конструкционных материалов, в паспорта приемочных испытаний, а также входит в расчеты прочности и ресурса.

7.2. Испытание на изгиб. Для хрупких материалов широко применяются испытания на изгиб. Чаще испытания проводят сосредоточенной нагрузкой на образце, лежащей на двух опорах. Предел прочности при изгибе s изг (s max) вычисляют по формуле:

s изг (s max) = М max / w,

где М max - максимально изгибающий момент, w – площадь поперечного сечения образца.

7.3. Испытания на удар. Под ударной вязкостью понимается способность материала поглощать механическую энергию в процессе деформации и разрушения под действием ударной нагрузки. Обычно ударная вязкость оценивается работой, необходимой для деформации и разрушения призматического образца с односторонним поперечным надрезом при испытании на ударный изгиб, условно отнесённой к сечению образца в основании надреза (дж/м 2 , нм/м 2 , кгс×м/см 2); обозначается символом а н.

Разрушение образца, расположенного на двух опорах, осуществляют ударом маятника копра (рис. 8 а).

Рис. 8. Схема маятника копра (а) и виды образцов (б) для испытаний на удар

Испытания проводят с использованием одного из видов образцов, приведенных на рис. 8 б, которые при одинаковом сечении (10х10 мм) имеют надрезы глубиной 2 мм, т.о. в месте разрушения сечение нетто 8х10 мм. В последнем случае надрез глубиной в 1 мм делается механически, а затем создается усталостная трещина глубиной также 1 мм. Надрезы выполняются с разной остротой r = 1мм (U – образный надрез) и r = 0,25 мм (V – образный надрез).

Работа по разрушению образца А н складывается из двух составляющих - работы зарождения трещины (А з) и работы по распространению трещины (А р), т.е. А н = А з + А р.

Под работой по зарождению трещины понимают работу, затраченную на макродеформацию образца до зарождения на дне надреза трещины. Величина А з для данного пропорциональна деформируемому объему металла, а последнее пропорционально остроте надреза.

В связи с этим, испытывая образцы с разной остротой надреза полученные данные нанесем на график в координатах а-r и проведем прямую, проходящую через эти две точки, до пресечения с осью ординат (рис. 9).

Рис. 9. График для определения работы трещины методом экстраполяции

Экстраполируя, таким образом, значения радиуса надреза на нуль, получим ударную вязкость образца с надрезом равным нулю т.е. работу по распространению трещины А р.

Работу по распространению трещины можно получить другим методом - прямым испытанием образцов с заранее нанесенной трещиной (третий вариант подготовки образцов для испытания на удар (рис. 8б). Очевидно, что при испытании такого образца получаемая ударная вязкость равна работе распространения, т.к. трещина готова и А з = 0, то А н = А р.

Надежным конструкционным материалом считается такой, в котором работа по распространению трещины равна нулю.

В результате испытаний образцов с надрезом на маятниковых копрах кроме определения полной работы А н, затраченной на деформацию и разрушение образца данного типа, рассчитывается также удельная работа на единицу площади КС = А н /S o , где S o – площадь поперечного сечения нетто образцов в месте надреза до испытания. В зависимости от типа надреза удельная работа обозначается КСU при применении U – образного надреза, KCV, если использован V – образный надрез и КСТ в случае испытаний образца с трещиной.

Для определения порога хладноломкости испытания на удар проводят при различных температурах. Для многих металлов и сплавов при определенных температурах изменяется механизм разрушения. Вязкое разрушение с понижением температуры сменяется на хрупкое. Температурный интервал изменения характера разрушения называется порогом хладноломкости .

Вязкое разрушение характеризуется волокнистым изломом и определенной работой по распространению трещины, а хрупкое – кристаллическим изломом при практически нулевом значении работы по распространению трещины. Порог хладноломкости характеризуется температурным интервалом, в котором содержание волокон в изломе (%В) или работа по распространению трещины (А р) изменяются от 100% (или некоторого значения для А р) до нуля. Кривая, подобная изображенной на рис. 10 называется сериальной т.к. для ее построения требуется проведение серии испытаний при разных температурах.

Рис. 10. Сериальные кривые

Порог хладноломкости характеризуется двумя температурами: Т в (температура, выше которой илом полностью вязкий) и Т н (ниже этой температуры излом полностью хрупкий и А р =0). Если порог хладноломкости характеризовать одной цифрой, то указывают середину порога Т 50 (температура, при которой 50% волокна в изломе или величина А р уменьшились вполовину). Эта температура называется температурой полухрупкости .

7.4. Испытания на твердость. Под твердостью материала понимается сопротивление проникновения в него постороннего тела (индентора) т.е. твердость также характеризует сопротивление деформации.

Рис. 11. Схемы испытания на твердость

а – по Бринеллю, б – по Роквеллу, в – по Виккерсу

Наиболее распространенным методом определения твердости является метод Бриннеля (рис. 11а), когда в испытуемый образец под действием силы Р внедряется шарик диаметром D. Число твердости по Бриннелю НВ есть нагрузка Р, деленная на сферическую поверхность отпечатка диаметром d.

При методе Роквелла (рис. 11б) индентором служит алмазный конус. Числом твердости называется величина, обратная глубине вдавливания (h).

При методе Виккерса (рис. 11в) вдавливается алмазная пирамидка и по диагонали отпечатка (d) судят о твердости (HV).

32272 0

Испытание на растяжение

Испытание на растяжение — это относительно простой для понимания и объяснения метод испытания материала, и, возможно, его используют чаще остальных. При проведении этого испытания, образец материала растягивают вдоль продольной оси с помощью растягивающего приспособления испытательной машины (Рис. 1.7.4). Испытание проводят с постоянной скоростью, (т.е. с постоянной скоростью растяжения образца), а нагрузку измеряют с помощью датчика нагрузки. Одновременно с этим измеряют удлинение, соответствующее прилагаемой нагрузке. Удлинение можно измерить несколькими способами, в том числе, по пути движения подвижной траверсы, или путем прикрепления к материалу тензодатчика при очень низких величинах деформации.

Рис. 1.7.4. Схема испытания образца для определения прочности на растяжение

Напряжение и соответствующая ему деформация могут быть рассчитаны по приведенным выше формулам. По этим данным можно построить кривую напряжение - деформация, а по этой кривой можно определить ряд свойств. Типичные примеры кривых напряжения-деформации для некоторых материалов представлены на Рис. 1 .7.5.

Рис. 1.7.5. Вид кривых напряжение-деформация для материалов различного типа. Кривые представлены не в масштабе

Примером пластичного или ковкого материала является мягкая сталь, на графике напряжение-деформация для которой показаны: область линейной упругости, четко определяемая точка предела текучести и высокая степень пластичности материала. И, напротив, на графике такого твердого материала, как гипс, видна только линейная область упругости, а затем происходит разрушение без каких-либо признаков пластической деформации.

Многие пластмассы, такие, как полиметилметакрилат, также являются жесткими материалами, однако они обладают меньшей хрупкостью, чем гипс. Поведение эластомера, примером которого является силиконовый оттискной материал, очень необычно по сравнению с другими материалами. Оказывается на графике напряжение-деформация у него отсутствует область линейной упругости, а область упругого восстановления у эластомера очень обширна. Относительное удлинение у него значительно выше, чем, например, у стали или гипса. Эластомер эластичен по своей природе, и, подобно резине, он восстанавливает свои исходные размеры сразу же после снятия напряжения. Кроме того, резина обладает крайне низкой прочностью при растяжении.

Образование шейки при испытании на растяжение

При упругой деформации наблюдается небольшое увеличение объема материала за счет того, что расстояние между атомами, из которых состоит твердое тело, удлиняется при растяжении. Однако при пластической деформации таких изменений объема не наблюдается. При такой деформации увеличение длины материала может привести к уменьшению площади его поперечного сечения. Это в свою очередь приведет к возникновению локализованной области материала, которая представлена на Рис. 1.7.6. Эта область уменьшения поперечного сечения образца называется шейкой. Часто такое явление наблюдается при растяжении материалов с повышенной вязкостью (пластичных материалов).

Рис. 1.7.6. Образование «шейки» при растяжении пластичного материала

Результаты испытаний на растяжение могут быть очень полезными при создании новых конструкций, поскольку для того, чтобы предсказать поведение конструкции, находящейся под нагрузкой, необходимо знание параметров упругой деформации материала.

Максимальное напряжение, которое может безопасно выдержать материал, определяется пределом текучести. Следовательно, от предела текучести зависит максимальная нагрузка, которой этот материал способен противостоять, хотя благоразумнее было бы включить в расчеты некоторый коэффициент запаса прочности.

Если в технологический процесс изготовления продукции включены такие операции, как прокатка, протяжка проволоки или прессование, необходимо знать величину пластической деформации, которую материал сможет выдержать без разрушения. Если материал обладает высокой пластичностью, то ему можно придавать нужную форму, однако если пластичность материала невысока, то создание формы путем воздействия нагрузки будет невозможным.

Испытание на сжатие

Испытания на растяжение проводить сложно, особенно, если материал хрупкий - в таких случаях наблюдается большой разброс результатов. Альтернативным методом оценки прочности материала является испытание на сжатие, которое легче провести, если материал хрупкий, так как в этом случае разброс результатов будет меньшим. Другой причиной, по которой хрупкие образцы следует испытывать на сжатие, является тот факт, что эти материалы используются в условиях, где действуют сжимающие нагрузки.

На Рис. 1.7.7 схематически представлено проведение испытания на сжатие. Поскольку образец удерживается за счет трения в точках контакта с опорными пластинами испытательного прибора, здесь наблюдается увеличение площади поперечного сечения в середине образца, и одновременно с этим материал приобретает форму бочонка. Этот эффект «приобретения формы бочонка» приводит к возникновению очень сложной модели распределения напряжений в материале (также представленной на Рис. 1.7.7). Анализировать такую модель очень сложно. Это затрудняет интерпретацию результатов испытаний на сжатие.

Рис. 1.7.7. Распределение напряжений растяжения и сдвига в образце при определении прочности материала на сжатие

Компромиссным испытанием является измерение так называемой диаметральной прочности, в который изготовленный из испытываемого материала диск подвергают воздействию сжимающей нагрузки. В результате приложения этой нагрузки к диску, в направлении, перпендикулярном направлению приложения сжимающей нагрузки, возникают напряжения растяжения, что схематически представлено на Рис. 1.7.8.

Рис. 1.7.8. Схема испытания образца для определения прочности материала на диаметральный разрыв

Растягивающее напряжение, а, рассчитывают по формуле:

где Р - нагрузка, D - диаметр диска, Т - толщина диска. Обычно этот метод используют для испытаний хрупких стоматологических материалов, поскольку он прост и позволяет получать более воспроизводимые результаты, чем в случае испытаний на растяжение.

Испытание твердости

Испытание твердости - это измерение сопротивления поверхности материала воздействию инструмента, внедряемого или вдавливаемого в поверхность (индентеров), или режущего инструмента. Испытание твердости проводят для определения сопротивления материала царапанью или стиранию. Кроме того, существует приближенная зависимость между твердостью материала и пределом прочности на растяжение.

Для испытаний используют индентер в форме шарика (при испытании твердости по Бринелю), пирамидки (при испытании твердости по Виккерсу или по Кнуппу) или конуса (при испытании твердости по Роквеллу). Разумеется, твердость самого индентера должна быть выше твердости испытываемого материала. Образец вдавливают в поверхность материала в течение определенного периода времени, и на поверхности материала остается отпечаток шарика, пирамидки или конуса (Рис. 1.7.9).

Рис. 1.7.9 Вид отпечатка индентера на поверхности образца для различных видов твердомеров

Размер полученного отпечатка будет зависеть от твердости испытуемого материала. Размеры отпечатка можно измерить и подсчитать из них эмпирическое значение числа твердости. Выбор метода испытания твердости до некоторой степени зависит от природы материала, который будет подвергнут испытанию.

Испытание на ударную прочность - это оценка сопротивления материала мгновенному приложению нагрузки. Стандартный образец в виде балки с насечками подвергают воздействию импульсной нагрузки, создаваемой маятниковым копром. Схематическое изображение испытания на ударную прочность представлено на Рис. 1.7.10.

Рис. 1.7.10. Расположение образца при определении прочности на удар по Шарли. Маятник с ударником, который падает с определенной высоты

Маятниковый копер отпускают с определенной высоты, он ударяет и разрушает образец, который установлен на параллельных опорах. Часть энергии маятника используется для разбивания образца. Если будут известны начальная высота, на которой находился маятник, и высота, на которую он поднялся после разрушения образца, то нетрудно будет рассчитать разницу энергий. Эта разница является мерой количества энергии, которая была поглощена образцом, что и вызвало его разрушение. Несмотря на то, что результаты этого испытания являются эмпирическими, его можно применять для оценки ударной прочности ряда материалов. Присутствие насечек на образце делает условия проведения испытания очень жесткими, а также является показателем чувствительности материала к присутствию надрезов на его поверхности.

Испытание на усталостную прочность

Во многих практических ситуациях материалы подвергаются воздействию переменных нагрузок чаще, чем статических, о которых говорилось выше. Постепенное накопление незначительных количеств пластической деформации, возникающих в результате воздействия цикла переменных напряжений, известно под названием усталости материала.

Усталость может стать причиной разрушения материала при напряжениях, величина которых значительно ниже предела текучести. Для проведения испытания на усталостную прочность образцы материала подвергают воздействию циклических нагрузок в некотором их диапазоне. В каждом случае подсчитывают число циклов, требуемых для разрушения образцов.

Величину напряжения выражают графически в виде логарифмической зависимости от соответствующего числа циклов напряжений, которое требуется для разрушения образца. Кривая зависимости напряжения от числа циклов (кривая Н - Ч) представлена на Рис. 1.7.11.

Существуют две формы поведения материалов. Для некоторых материалов по мере увеличения числа циклов нагрузки происходит снижение напряжений, которые способен выдержать материал. Однако для других материалов существует уровень напряжений, называемый пределом выносливости, ниже которого материал можно подвергать неопределенному числу циклов нагрузки, не вызывая его разрушения.

Усталостная прочность в значительной степени определяется характеристиками поверхности материала. Улучшение качества обработки поверхности или создание на поверхности напряжений сжатия механическими, термическими или химическими методами, приводит к повышению усталостной кривой Н - Ч.

Кроме того, на характер кривой Н - Ч выраженное влияние оказывает среда, в которой проходит эксперимент. Например, в коррозионных средах усталостная прочность материала снижается.

Клиническое значение

В некоторых случаях материал может быть достаточно прочным, чтобы выдерживать нагрузки в начале его использования в полости рта, но это не означает, что он сможет противостоять таким же нагрузкам в отдаленные сроки клинической службы.

Испытание на крип (ползучесть)

Если материал долгое время находится под нагрузкой, то под воздействием постоянного напряжения он может непрерывно деформироваться, даже несмотря на то, что величины действующих на него напряжений значительно ниже предела упругости. Эта деформация материала, зависящая от времени его нахождения под нагрузкой, называется крипом, который, в конечном итоге, ведет к разрушению материала. В частности, понимание этого явления важно, если материал используют при температурах, превышающих половину значения температуры плавления или температуры размягчения, что, например, характерно для некоторых амальгамных фаз или многих пластических материалов. При температурах на 40 - 50% меньше абсолютной точки плавления материала, крип ничтожно мал.

На Рис. 1.7.12 представлена типичная кривая крипа. На ней можно выделить 4 стадии деформации:

Начальное удлинение, возникшее в результате приложения нагрузки;

Переходный или первичный крип, который стремится к непрерывному увеличению;

Устойчивое состояние (вторичный крип);

Третичный крип.

Рис. 1.7.12. Кривая крипа, на которой можно выделить четыре стадии ползучести в условиях долговременных испытаний при высокой температуре

Клиническое значение

Механические свойства материалов можно определять в широких пределах. Это позволяет сравнивать между собой разные стоматологические материалы, хотя значение результатов таких испытаний для клиники остается предметом многочисленных дебатов.

Основы стоматологического материаловедения
Ричард ван Нурт

Прочностью называется способность металла не поддаваться разрушению под действием внешних нагрузок. Ценность металла как машиностроительного материала наряду с другими свойствами определяется прочностью.

Величина прочности указывает, какая сила необходима, чтобы преодолеть внутреннюю связь между молекулами.

Испытание металлов на прочность при растяжении производится на специальных машинах различной мощности. Эти машины состоят из нагружающего механизма, который создает усилие, производит растяжение испытываемого образца и показывает величину усилия, приложенного к образцу. Механизмы бывают механического и гидравлического действия.

Мощность машин различна и достигает 50 т. На рис. 7, а показано устройство машины, состоящей из станины 2 и зажимов 4, при помощи которых закрепляются испытываемые образцы 3.

Верхний зажим закреплен в станине неподвижно, а нижний при помощи особого механизма при испытании медленно опускается, растягивая образец.

Рис. 7. Испытание металлов на растяжение :

а - прибор для испытания металлов на растяжение; б - образцы для испытания на растяжение: I - круглый, II - плоский

Нагрузка, передаваемая при испытании на образец, может быть определена по положению стрелки прибора на измерительной шкале 1.

Испытание образцов должно всегда проводиться в одинаковых условиях, чтобы полученные результаты можно было сравнивать. Поэтому соответствующими стандартами установлены определенные размеры образцов для испытания.

Стандартными образцами для испытания на растяжение являются образцы круглого и плоского сечений, показанные на рис. 7, б.

Плоские образцы применяют при испытании листов, полосового материала и т. д., а если профиль металла позволяет, то делают круглые образцы.

Пределом прочности (σ b) называется наибольшее напряжение, которое может испытывать материал до его разрушения; предел прочности металла равняется отношению наибольшей нагрузки при испытании образца на разрыв к первоначальной площади поперечного сечения образца, т. е.

σ b = P b /F 0 ,

где Р b - наибольшая нагрузка, предшествующая разрыву образца, кгс;

F 0 - начальная площадь поперечного сечения образца, мм 2 .

В целях безопасной работы машин и сооружений необходимо, чтобы при эксплуатации напряжения в материале не превышали установленного предела пропорциональности, т. е. наибольшего напряжения, при котором не вызываются деформации.

Предел прочности некоторых металлов при испытании на растяжение, кгс/мм 2:

Свинец 1,8

Алюминий 8

Металлам присущи высокая пластичность, тепло- и электропро­водность. Они имеют характерный металлический блеск.

Свойствами металлов обладают около 80 элементов периодиче­ской системы Д.И. Менделеева. Для металлов, а также для метал­лических сплавов, особенно конструкционных, большое значение имеют механические свойства, основными из которых являются прочность, пластичность, твердость и ударная вязкость.

Под действием внешней нагрузки в твердом теле возникают на­пряжение и деформация. отнесенная к первоначальной площади поперечного сече­ния образца.

Деформация – это изменение формы и размеров твердого тела под действием внешних сил или в результате физических процессов, возникающих в теле при фазовых превращениях, усадке и т.п. Де­формация может быть упругая (исчезает после снятия нагрузки) и пластическая (сохраняется после снятия нагрузки). При все возрас­тающей нагрузке упругая деформация, как правило, переходит в пла­стическую, и далее образец разрушается.

В зависимости от способа приложения нагрузки методы испытания механических свойств ме­таллов, сплавов и других материалов делятся на статические, динамические и знакопеременные.

Прочность – способность металлов оказывать сопротивление де­формации или разрушению статическим, динамическим или знако­переменным нагрузкам. Прочность металлов при статических нагрузках испытывают на растяжение, сжатие, изгиб и кручение. Испытание на разрыв является обязательным. Прочность при динамических нагрузках оценивают удельной ударной вязкостью, а при знакопеременных нагрузках – усталостной прочностью.

Для определения прочности, упругости и пластичности металлы в виде образцов круглой или плоской формы испытывают на статическое растяжение. Испытания проводят на разрывных машинах. В результате испытаний получают диаграмму растяжения (рис. 3.1). По оси абсцисс этой диаграммы откладывают значения деформации, а по оси ординат – значения напряжения, приложенного к образцу.

Из графика видно, что сколь бы ни было мало приложенное напряжение, оно вызывает деформацию, причем начальные деформации являются всегда упругими и величина их находится в прямой зависимости от напряжения. На кривой, приведенной на диаграмме (рис. 3.1), упругая деформация характеризуется линией ОА и ее продолжением.

Рис. 3.1. Кривая деформации

Выше точки А нарушается пропорциональность между напряжением и деформацией. Напряжение вызывает уже не только упругую, но и остаточную, пластическую деформацию. Величина ее равна горизонтальному отрезку от штриховой линии до сплошной кривой.

При упругом деформировании под действием внешней силы изменяется расстояние между атомами в кристаллической решетке. Снятие нагрузки устраняет причину, вызвавшую изменение межатомного расстояния, атомы становятся на прежние места и деформация исчезает.

Пластическое деформирование представляет собой совершенно другой, значительно более сложный процесс. При пластическом деформировании одна часть кристалла перемещается по отношению к другой. Если нагрузку снять, то перемещенная часть кристалла не возвратится на старое место; деформация сохранится. Эти сдвиги обнаруживаются при микроструктурном исследовании. Кроме того, пластическое деформирование сопровождается дроблением блоков мозаики внутри зерен, а при значительных степенях деформации наблюдается также заметное изменение форм зерен и их расположения в пространстве, причем между зернами (иногда и внутри зерен) возникают пустоты (поры).

Представленная зависимость ОАВ (см. рис. 3.1) между приложенным извне напряжением (σ ) и вызванной им относительной деформацией (ε ) характеризует механические свойства металлов.

· наклон прямой ОА показывает жесткость металла , или характеристику того, как нагрузка, приложенная извне, изменяет межатомные расстояния, что в первом приближении характеризует силы межатомного притяжения;

· тангенс угла наклона прямой ОА пропорционален модулю упругости (Е ), который численно равен частному от деления напряжения на относительную упругую деформацию:

· напряжение, которое называется пределом пропорциональности (σ пц), соответствует моменту появления пластической деформации. Чем точнее метод измерения деформации, тем ниже лежит точка А ;

· в технических измерениях принята характеристика, именуемая пределом текучести (σ 0,2). Это напряжение, вызывающее остаточную деформацию, равную 0,2 % от длины или другого размера образца, изделия;

· максимальное напряжение (σ в) соответствует максимальному напряжению, достигнутому при растяжении, и называется временным сопротивлением или пределом прочности .

Еще одной характеристикой материала является величина пластической деформации, предшествующая разрушению и определяемая как относительное изменение длины (или поперечного сечения) – так называемое относительное удлинение (δ ) или относительное сужение (ψ ), они характеризуют пластичность металла. Площадь под кривой ОАВ пропорциональна работе, которую надо затратить, чтобы разрушить металл. Этот показатель, определяемый различными способами (главным образом путем удара по надрезанному образцу), характеризует вязкость металла.

При растяжении образца до разрушения фиксируются графически (рис. 3.2) зависимости между приложенным усилием и удлинением образца, в результате этого получают так называемые диаграммы деформации.

Рис. 3.2. Диаграмма «усилие (напряжение) – удлинение»

Деформация образца при нагружении сплава сначала является макроупругой, а затем постепенно и в разных зернах при неодинаковой нагрузке переходит в пластическую, происходящую путем сдвигов по дислокационному механизму. Накопление дислокаций в результате деформации ведет к упрочнению металла, но при значительной их плотности, особенно в отдельных участках, возникают очаги разрушения, приводящие, в конечном счете, к полному разрушению образца в целом.

Прочность при испытании на растяжение оценивают следующими характеристиками:

1) пределом прочности на разрыв;

2) пределом пропорциональности;

3) пределом текучести;

4) пределом упругости;

5) модулем упругости;

6) пределом текучести;

7) относительным удлинением;

8) относительным равномерным удлинением;

9) относительным сужением после разрыва.

Предел прочности на разрыв (предел прочности или временное сопротивление разрыву) σ в, – это напряжение, отвечающее наибольшей нагрузке Р В предшествующей разрушению образца:

σ в = Р в /F 0 ,

Эта характеристика является обязательной для металлов.

Предел пропорциональности (σ пц) – это условное напряжение Р пц, при котором начинается отклонение от пропорциональной зависимости мости между деформацией и нагрузкой. Он равен:

σ пц = Р пц /F 0 .

Значения σ пц измеряют в кгс/мм 2 или в МПа.

Предел текучести (σ т) – это напряжение (Р т) при котором обра­зец деформируется (течет) без заметного увеличения нагрузки. Вычисляется по формуле:

σ т = Р т /F 0 .

Предел упругости (σ 0,05) – напряжение, при котором остаточное удлинение достигает 0,05 % длины участка рабочей части образца, равного базе тензометра. Предел упругости σ 0,05 вычисляют по формуле:

σ 0,05 = Р 0,05 /F 0 .

Модуль упругости (Е ) – отношение приращения напряжения к соответствующему приращению удлинения в пределах упругой деформации. Он равен:

Е = Рl 0 / l ср F 0 ,

где ∆Р – приращение нагрузки; l 0 – начальная расчетная длина образца; l ср – среднее приращение удлинения; F 0 – начальная площадь поперечного сечения.

Предел текучести (условный ) – напряжение при котором остаточное удлинение достигает 0,2 % длины участка образца на его рабочей части, удлинение которого принимается в расчет при определении указанной характеристики.

Вычисляется по формуле:

σ 0,2 = Р 0,2 /F 0 .

Условный предел текучести определяют только при отсутствии на диаграмме растяжения площадки текучести.

Относительное удлинение (после разрыва ) – одна из характеристик пластичности материалов, равная отношению приращения расчетной длины образца после разрушения (l к ) к начальной расчетной длине (l 0 ) в процентах:

Относительное равномерное удлинение (δ р) – отношение приращения длины участков в рабочей части образца после разрыва к длине до испытания, выраженное в процентах.

Относительное сужение после разрыва (ψ ), как и относительное удлинение – характеристика пластичности материала. Определяется как отношение разности F 0 и минимальной (F к ) площади поперечного сечения образца после разрушения к начальной площади поперечного сечения (F 0 ), выраженное в процентах:

Упругость – свойство металлов восстанавливать свою прежнюю форму после снятия внешних сил, вызывающих деформацию. Упру­гость – свойство, обратное пластичности.

Очень часто для определения прочности пользуются простым, не разрушающим изделие (образец), упрощенным методом – измерением твердости.

Под твердостью материала понимается сопротивление проникновению в него постороннего тела, т.е., по сути дела, твердость тоже характеризует сопротивление деформации. Существует много методов определения твердости. Наиболее распространенным является метод Бринелля (рис. 3.3, а), когда в испытуемое тело под действием силы Р внедряется шарик диаметром D . Число твердости по Бринеллю (НВ) есть нагрузка (Р ), деленная на площадь сферической поверхности отпечатка (диаметром d ).

Рис. 3.3. Испытание на твердость:

а – по Бринеллю; б – по Роквеллу; в – по Виккерсу

При измерении твердости методом Виккерса (рис. 3.3, б) вдавливается алмазная пирамида. Измерив диагональ отпечатка (d ), судят о твердости (HV) материала.

При измерении твердости методом Роквелла (рис. 3.3, в) индентором служит алмазный конус (иногда маленький стальной шарик). Число твердости – это значение, обратное глубине вдавливания (h ). Имеются три шкалы: А, В, С (табл. 3.1).

Методы Бринелля и Роквелла по шкале B применяют для мягких материалов, а метод Роквелла по шкале C – для твердых, а метод Роквелла по шкале A и метод Виккерса – для тонких слоев (листов). Описанные методы измерения твердости характеризуют среднюю твердость сплава. Для того чтобы определить твердость отдельных структурных составляющих сплава, надо резко локализовать деформацию, вдавливать алмазную пирамиду на определенное место, найденное на шлифе при увеличении в 100 – 400 раз под очень небольшой нагрузкой (от 1 до 100 гс) с последующим измерением под микроскопом диагонали отпечатка. Полученная характеристика (Н ) называется микротвердостью , и характеризует твердость определенной структурной составляющей.

Таблица 3.1 Условия испытания при измерении твердости методом Роквелла

Условия испытания		Обозначение т вердости
Р = 150 кгс
При испытании алмазным конусом и нагрузке Р = 60 кгс
При вдавливании стального шарика и нагрузке Р = 100 кгс

Значение НВ измеряют в кгс/мм 2 (в этом случае единицы часто не указываются) или в СИ – в МПа (1 кгс/мм 2 = 10 МПа).

Вязкость – способность металлов оказывать сопротивление ударным нагрузкам. Вязкость – свойство, обратное хрупкости. Многие детали в процессе работы испытывают не только статиче­ские нагрузки, но подвергаются также ударным (динамическим) нагрузкам. Например, такие нагрузки испытывают колеса локомо­тивов и вагонов на стыках рельсов.

Основной вид динамических испытаний – ударное нагружение надрезанных образцов в условиях изгиба. Динамическое нагружение ударом осуществляется на маятниковых копрах (рис. 3.4), а также падающим грузом. При этом определяют работу, затраченную на деформацию и разрушение образца.

Обычно в этих испытаниях, определяют удельную работу, затраченную на деформацию и разрушение образца. Ее рассчитывают по формуле:

КС = K / S 0 ,

где КС – удельная работа; К – полная работа деформации и разрушения образца, Дж; S 0 – поперечное сечение образца в месте надреза, м 2 или см 2 .

Рис. 3.4. Испытания на ударную вязкость с помощью маятникового копра

Ширина образцов всех типов измеряется до испытаний. Высоту образцов с U- и V-образным надрезом измеряют до испытаний, а с Т-образным надрезом уже после испытаний. Соответственно удельная работа деформации разрушения обозначается KCU, KCV и КСТ.

Хрупкость металлов в условиях низких температур называют хладоломкостью . Значение ударной вязкости при этом существенно ниже, чем при комнатной температуре.

Ещё одной характеристикой механических свойств материалов является усталостная прочность . Некоторые детали (валы, шатуны, рес­соры, пружины, рельсы и т.п.) в процессе эксплуатации испытывают нагрузки, изменяющиеся по величине или одновременно по величи­не и направлению (знаку). Под действием таких знакопеременных (вибрационных) нагрузок металл как бы устает, прочность его понижается и деталь разрушается. Это явление называют усталостью металла, а образовавшиеся изломы – усталостными. Для таких деталей необходимо знать предел выносливости , т.е. величину наибольшего напряжения, которое металл может выдер­жать без разрушения при заданном числе перемен нагрузки (циклов) (N ).

Износостойкость – сопротивление металлов изнашиванию вслед­ствие процессов трения. Это важная характеристика, например, для контактных материалов и, в частности, для контактного провода и токосъемных элементов токоприемника электрифицированного транс­порта. Износ заключается в отрыве с трущейся поверхности отдель­ных ее частиц и определяется по изменению геометрических размеров или массы детали.

Усталостная прочность и износостойкость дают наиболее полное представление о долговечности деталей в конструкциях, а вязкость характеризует надежность этих деталей.