Материалы в машиностроении: строение, свойства материалов

1. Атомно-кристаллическая структура металлов

Под атомно-кристаллической структурой понимают взаимное расположение атомов (ионов), существующее в реальном кристалле.

В твердом состоянии металл представляет собой структуру, состоящую из положительно заряженных ионов, омываемых «газом» из свободных коллективизированных электронов. Связь в металле осуществляется электростатическими силами.

Между ионами и коллективизированными электронами проводимости возникают электростатические силы притяжения, которые стягивают ионы (рис. 1, а). Такая связь называется металлической.

Силы связи в металлах определяются силами отталкивания и силами притяжения между ионами и электронами. Атомы (ионы) располагаются на таком расстоянии один от другого, при котором энергия взаимодействия минимальна.

Атомы в металле располагаются закономерно, образуя правильную кристаллическую решетку (рис. 1, б), что соответствует минимальной энергии взаимодействия атомов.

Кристаллическая решетка (рис. 1, б) состоит из воображаемых линий и плоскостей, проходящих через точки расположения атомов (ионов)

в пространстве. Жирными линиями выведен наименьший параллелепипед, последовательным перемещением которого вдоль трех направлений может быть построен весь кристалл.

Рис. 1. Расположение атомов (ионов): а, б – в кристаллической решетке; в, г – в элементарной кристаллической ячейке

Этот наименьший объем кристалла (рис. 1, в, г), дающий представление об атомной структуре металла в любом объеме, получил название элементарной кристаллической ячейки.

Для однозначной ее характеристики необходимо знать следующие величины: три ребра (a, b и c) и три угла между осями α, β и γ (рис. 1, г).

Большинство металлов образует одну из следующих высокосимметричных решеток с плотной упаковкой атомов: гексагональную, кубическую гранецентрированную и кубическую объемноцентрированную (рис. 2).

В гексагональной решетке (ГПУ) (рис. 2, а) атомы расположены в вершинах и в центре шестигранных оснований призмы, а три атома – в средней плоскости призмы. Такую упаковку атомов имеют металлы Mg, Ti_α, Cd, Re, Os, Ru, Zn, Co_β, Be, Ca_β и др.

В кубической гранецентрированной решетке (ГЦК) атомы расположены в вершинах куба и центре каждой грани (рис. 2, б). Решетку такого типа имеют металлы Ca_α, Ce, Sr_α, Pb, Ni, Ag, Au, Pd, Pt, Rh, Jr, Fe_γ, Cu, Co_α и др.

Как видно из рис. 2, в, в кубической объемноцентрированной решетке (ОЦК) атомы расположены в вершинах куба и один атом – в центре куба. Кубическую объемноцентрированную решетку имеют металлы Pb, K, Na, Li, Ti_β, Zr_β, Ta, W, V, Fe_α, Cr, Nb, Ba и др.

Рис. 2. Кристаллические решетки металлов: а – гексагональная плотноупакованная (ГПУ); б – гранецентрированная кубическая (ГЦК); в – объемноцентрированная кубическая (ОЦК)

Расстояния а, b, с между центрами ближайших атомов в элементарной ячейке (рис. 1, г) называются периодами решетки. Период решетки выражается в нанометрах (1 нм = 10^-8 мм).

Периоды решетки для большинства металлов находятся в пределах 0,1–0,7 нм.

На одну элементарную ячейку объемноцентрированной решетки приходятся два атома. Один из них – в центре куба, а другой вносят атомы, располагающиеся в вершинах куба (каждый атом в вершине куба одновременно принадлежит восьми сопряженным элементарным ячейкам, и на данную ячейку приходится лишь 1/8 массы этого атома, а на всю ячейку – 1/8 · 8 = 1 атом).

На элементарную ячейку гранецентрированной кубической решетки приходятся четыре атома. Из них один (по такому же расчету, как и для объемноцентрированной решетки) вносят атомы в вершинах куба. Плюс три атома суммарно вносят атомы, находящиеся на середине грани, так как каждый из таких атомов принадлежит двум ячейкам (1/2 · 6 = 3).

На элементарную ячейку гексагональной плотноупакованной решетки приходится шесть атомов (3 + 1/6 · 12 + 1/2 · 2 = 6).

Система, период и число частиц, приходящихся на элементарную ячейку, полностью определяют расположение частиц в кристалле. Дополнительными характеристиками кристаллической решетки являются координационное число и коэффициент компактности.

В решетке объемноцентрированного куба (ОЦК) для каждого атома число таких соседей будет равно восьми (К8), для гранецентрированной кубической решетки (ГЦК) – 12 (К12) (рис. 3).

Рис. 3. Схема, показывающая число атомов, находящихся на наименьшем расстоянии от данного атома А в разных кристаллических решетках: а – ГЦК; б – ОЦК; в – ГПУ

Отношение объема всех частиц, приходящихся на одну элементарную ячейку, ко всему объему элементарной ячейки определяет коэффициент компактности. Его значение для ОЦК – 0,68 и для ГЦК и ГПУ – 0,74.

2. Кристаллографические направления и плоскости

Упорядоченность расположения атомов в кристаллической решетке позволяет четко выделить отдельные кристаллографические направления и плоскости.

Кристаллографическими направлениями являются прямые или лучи, выходящие из какой-нибудь точки отсчета, вдоль которых на определенном расстоянии друг от друга располагаются атомы. Точками отсчета могут служить вершины куба, при этом кристаллографическими направлениями, например, являются его ребра и диагонали граней (рис. 4, а). Могут быть и другие интересующие исследователей направления.

Кристаллографическими плоскостями являются плоскости, на которых лежат атомы, например, грани куба или его диагональные плоскости (рис. 4, б, в, г).

Кристаллографические направления и плоскости принято обозначать индексами Миллера. Для определения индекса какого-либо направления следует найти координаты ближайшего к точке отсчета атома, лежащего на этом направлении, выраженные через параметр решетки.

Рис. 4. Основные кристаллографические направления (а) и плоскости (б, в, г) в ОЦК-решетке

Например, координаты ближайшего атома вдоль оси 0x выразятся через 100, этими цифрами принято обозначать индекс направления вдоль оси 0x и параллельных ему направлений: [100].

Индексы направлений вдоль осей 0y и 0z и параллельных им направлений выразятся через [010] и [001] соответственно, а направления вдоль диагоналей граней x0z, x0y, y0z и диагонали куба получат индексы [101], [110], [011], [111] соответственно, (рис. 4, а).

Для определения индекса кристаллографической плоскости следует сначала найти координаты ближайших точек ее пересечения с осями координат, проведенными из точки отсчета 0. Затем обратные величины найденных координат следует записать в обычной последовательности в круглых скобках. Например, координаты точек пересечения с осями координат интересующей нас ближайшей плоскости, параллельной плоскости x0y (т. е. плоскости верхней грани куба, рис. 4, б), являются числа ∞, ∞, 1. Поэтому индекс можно записать так: (001).

Индексы плоскостей, параллельных плоскостям x0z и y0z, запишутся в виде (010) и (100) (рис. 4, б); индекс вертикальной диагональной плоскости куба выразится через (110), а индекс наклонной плоскости, пересекающейся со всеми тремя осями координат на удалении одного параметра, примет вид (111) (рис. 4, в, г).

Рис. 5. Обозначение кристаллографических плоскостей куба и различных кристаллографических направлений: а – ГЦК-решетка; б – ОЦК-решетка

Использование понятий о кристаллографических направлениях и плоскостях и их индексов позволяет описывать различные явления, происходящие в кристаллографических телах, а также особенности свойств кристаллических тел вдоль различных направлений и плоскостей.

Вследствие неодинаковой плотности атомов в различных плоскостях и направлениях решетки свойства (химические, физические, механические) каждого монокристалла зависят от направления вырезки образца по отношению к направлениям в решетке. Подобная неодинаковость свойств монокристалла в различных кристаллографических направлениях называется анизотропией.

Анизотропия свойств металлов возникает, потому что плотность расположения атомов по различным плоскостям неодинакова. Так, плоскости (100) в ОЦК-решетке принадлежит лишь один атомом (1/4 · 4), плоскости ромбического додекаэдра (110) – два атома: один атом вносят атомы, находящиеся в вершинах (1/4 · 4), и один атом – в центре куба.

В ГЦК-решетке плоскостью с наиболее плотным расположением атомов будет плоскость октаэдра (111) (рис. 5, а), а в ОЦК—решетке – плоскость (110) (рис. 5, б).

Кристаллы – тела анизотропные в отличие от изотропных аморфных тел (стекло, пластмассы и др., свойства которых не зависят от направления).

3. Дефекты кристаллической решетки металлов

Большинство металлов, применяемых в промышленности, поликристаллы. Их строение несовершенно. Регулярное расположение атомов в их кристаллических решетках нарушается дефектами. Дефекты кристаллографического строения подразделяются по геометрическим признакам на точечные (нульмерные), линейные (одномерные), поверхностные (двумерные) и объемные.

Точечные дефекты. Эти дефекты малы во всех трех направлениях, и размеры их не превышают нескольких атомных диаметров. К точечным дефектам относятся вакансии, дислоцированные атомы и атомы примесей.

Вакансии – это отсутствие атомов (ион – атом) в узлах кристаллической решетки, «дырки» (по терминологии Я. И. Френкеля), которые образовались в силу различных причин (рис. 6, а).

Рис. 6. Точечные несовершенства: а – вакансии; б – дислоцированный атом; в – атом примеси

Дислоцированные атомы, т. е. атомы, вышедшие из узла кристаллической решетки и занявшие место где-то в междоузлии, также относятся к точечным дефектам (рис. 6, б). Концентрация дислоцированных атомов невелика, так как для их образования требуется существенная затрата энергии (например, облучение металла ядерными частицами). При этом на месте переместившегося атома также образуется вакансия (механизм Я. И. Френкеля).

Поскольку практически невозможно выплавить металл химически чистым, в любом объеме металла всегда присутствует какое-то количество чужеродных атомов примесей.

Примесные атомы занимают в кристаллической решетке либо места основных атомов, либо внедряются внутрь ячейки. Так возникает еще одна разновидность точечных дефектов – внедренный и замещенный атомы (рис. 6, б, в).

Вокруг вакансий, дислоцированных атомов и атомов примесей всегда нарушается правильность кристаллического строения, а также уравновешенность силовых полей атомов во всех направлениях. Но эти изменения невелики, они составляют не больше нескольких атомных диаметров.

Линейные дефекты имеют малые размеры в двух измерениях и большую протяженность в третьем измерении.

Важнейшие виды линейных несовершенств – краевые и винтовые дислокации (рис. 7). Краевая дислокация в сечении представляет собой край «лишней» полуплоскости в решетке (рис. 7, а). Вокруг дислокаций решетка упруго искажена.

Дислокации одного знака, расположенные в одной плоскости, отталкиваются друг от друга, а противоположных знаков – притягиваются.

Плотность дислокаций – это суммарная длина всех линий дислокаций в единице объема. В полупроводниковых кристаллах она равна 10⁴–10⁵ см^-2, у отожженных металлов – 10⁶–10⁸ см^-2. При холодном пластическом деформировании плотность дислокаций возрастает до 10¹¹–10¹² см^-2. Попытка увеличить плотность свыше 10¹² см^-2 быстро приводит к появлению трещин и разрушению металла.

Рис. 7. Схемы краевой (а) и винтовой (б) дислокаций

Дислокации возникают при кристаллизации и деформации, плотность их большая, поэтому они значительно влияют на свойства материалов. Дислокации наряду с другими дефектами участвуют в фазовых превращениях.

Вдоль дислокаций скорость диффузии на несколько порядков выше, чем сквозь кристаллическую решетку без дефектов. Дислокации служат местом концентрации примесных атомов, в особенности примесей внедрения, так как это уменьшает искажения решетки.

Поверхностные дефекты. Поликристаллический сплав содержит огромное число зерен. В соседних зернах решетки ориентированы различно (рис. 8, а, б), и граница между зернами представляет собой переходный слой 1–5 нм (рис. 8, б). В нем нарушена правильность расположения атомов, имеются скопления дислокаций, повышена концентрация примесей.

Границы между зернами называются большеугловыми (рис. 8, а), так как соответственные кристаллографические направления в соседних зернах образуют углы в десятки градусов.

 

Рис. 8. Схема строения поликристалла: а – большеугловые границы между зернами; б – переходный слой (граница)

Рис. 9. Схема блочной (мозаичной) структуры зерен

Каждое зерно, в свою очередь, состоит из субзерен (блоков). Субзерно представляет собой часть кристалла относительно правильного строения, а его границы – стенки из дислокаций, которые разделяют зерно на отдельные субзерна (рис. 9). Угол взаимной разориентации между соседними субзернами невелик. Там возникают малоугловые границы, на которых также скапливаются примеси.

Поверхностные дефекты влияют на механические и физические свойства материалов. Особенно большое значение имеют границы зерен. Чем мельче зерно, тем выше предел текучести, вязкость и меньше опасность хрупкого разрушения. Вдоль границ зерен и субзерен быстро протекает диффузия, во много раз быстрее, чем сквозь кристалл, особенно при нагреве.

Взаимодействие между дефектами, перемещение их в кристаллах, изменение концентрации дефектов – все это отражается на свойствах и имеет большое практическое значение.

4. Свойства материалов

Свойства – это количественная или качественная характеристика материала, определяющая его общность или различие с другими материалами.

Выделяют три основные группы свойств: эксплуатационные, технологические и стоимостные, которые лежат в основе выбора материала, определяют техническую и экономическую целесообразность его применения. Первостепенное значение имеют эксплуатационные свойства.

Эксплуатационными называют свойства материала, которые определяют работоспособность деталей машин, приборов или инструментов, их силовые, скоростные, стойкостные и другие технико-эксплуатационные показатели.

Работоспособность большинства деталей машин и изделий обеспечивает уровень механических свойств, которые характеризуют поведение материала под действием внешней нагрузки. Так как условия нагружения деталей машин чрезвычайно разнообразны, то механические свойства включают большую группу показателей.

Работоспособность отдельной группы деталей машин зависит не только от механических свойств, но и от сопротивления воздействию химически активной рабочей среды. Если такое воздействие значительно, то определяющими становятся физико-химические свойства материала – жаростойкость и коррозионная стойкость.

При обработке материалов и эксплуатации изделий из них большое значение имеют физические свойства, к которым относятся температура плавления, плотность, электросопротивление, теплопроводность и т. д.

Среди технологических свойств главное место занимает технологичность материала – его пригодность для изготовления деталей машин, приборов и инструментов требуемого качества при минимальных трудовых затратах. Она оценивается обрабатываемостью резанием или давлением, свариваемостью, способностью к литью, склонностью к деформации и короблению при термической обработке.

Литейные свойства определяются жидкотекучестью, усадкой и склонностью к ликвации.

Деформируемость – это способность принимать необходимую форму под влиянием внешней нагрузки без разрушения и при наименьшем сопротивлении нагрузке, она определяет способность металла к обработке давлением.

Свариваемость – это способность металлов и сплавов образовывать неразъемные соединения требуемого качества.

Технологичность материала имеет важное значение, так как от нее зависят производительность и качество изготовления деталей.

4.1. Механические свойства материалов

В зависимости от изменения во времени нагрузки разделяются на статические и динамические. Статическое нагружение характеризуется малой скоростью изменения своей величины. Динамические нагрузки изменяются во времени с большими скоростями, например при ударном нагружении.

Под действием внешних нагрузок и структурно-фазовых превращений в материале конструкции возникают внутренние силы – напряжения.

Внешние нагрузки, действующие на элементы конструкций и детали машин, распределены по площади или объему.

В простейшем случае осевого растяжения цилиндрического стержня (рис. 10, а) напряжение σ в поперечном сечении легко определить как отношение растягивающей силы Р к площади поперечного сечения F₀, т. е. σ = Р/F₀.

В общем случае, когда сила Р не перпендикулярна плоскости рассматриваемого сечения F₁, полное напряжение σ₁ можно разложить на две составляющие: нормальное напряжение σ_n, направленное перпендикулярно данной плоскости, и касательное τ, направленное вдоль этой плоскости.

Рис. 10. Схема нормальных (а) и касательных (б) напряжений

На рис. 10, б наклонная плоскость F₁ расположена под углом α к плоскости поперечного сечения стержня. Площадь наклонного сечения равна F₁ = F₀/cosα. В плоскости этого сечения действует общее напряжение σ₁ = Р/F₁ = σ cosα. Разлагая это напряжение по правилу параллелограмма на составляющие, получаем, что нормальное напряжение σ_n = σcos²α, а касательное напряжение τ = σ cosα sinα = 0,5σsin2 α. Отсюда следует, что максимальное нормальное напряжение возникает при α = 0º и равно σ, а максимальное касательное напряжение возникает при α = 45º и равно σ/2.

Действие внешних нагрузок приводит к деформации тела, т. е. к изменению его размеров и формы.

Деформация, исчезающая после нагрузки, называется упругой. При пластической (остаточной) деформации изменение размеров и формы сохраняется после прекращения действия нагрузки.

Упругопластическая деформация при достижении высоких напряжений может завершиться разрушением тела.

Под разрушением понимают процесс зарождения в материале трещин, приводящий к разделению его на части. Разрушение может быть хрупким и вязким. Возникновение микротрещин чаще происходит благодаря скоплению движущихся дислокаций перед препятствием (границей зерен, неметаллическими включениями и т. д.).

При хрупком разрушении под действием нормальных напряжений возникающая трещина становится нестабильной и растет самопроизвольно.

При вязком разрушении под действием касательных напряжений велика величина пластической деформации. Зона пластической деформации развивается впереди распространяющейся трещины. При этом сама трещина затупляется у своей вершины.

Вязкое разрушение обусловлено малой скоростью распространения трещины. Скорость распространения хрупкой трещины велика (для стали 2 500 м/с). Поэтому нередко хрупкое разрушение называется «внезапным» или «катастрофическим».

Разработаны различные методы испытаний, с помощью которых определяются механические свойства металлов при динамических и циклических нагрузках. Наиболее распространены статические испытания на растяжение и твердость.

Кроме статических и динамических в необходимых случаях производят испытания на выносливость (усталость), ползучесть и износ, которые дают более полное представление о свойствах материалов.

Механические свойства, определяемые при статических нагрузках

Испытания на растяжение. Эти испытания являются основными для определения прочностных, упругих и пластических свойств металлов.

Прочность – это способность твердого тела сопротивляться деформации или разрушению под действием статических и динамических нагрузок. Прочность определяют с помощью специальных образцов, изготовленных из исследуемого материала.

При статических испытаниях на растяжение (ГОСТ 1497–84) образец находится в равновесии под действием растягивающих сил, вызывающих в материале напряжение.

Для статических испытаний изготовляют обычно круглые образцы (рис. 11, а) испытуемого металла или плоские для листовых материалов. Образцы состоят из рабочей части и головок, предназначенных для закрепления их в захватах разрывной машины. Размеры образцов стандартизованы. Для круглых образцов отношение расчетной начальной длины l₀ к начальному диаметру d₀ называется кратностью образца. На практике применяются образцы с кратностью 2,5; 5; 10.

Большинство современных машин автоматически записывает диаграмму растяжения и демонстрирует ее на мониторе компьютера.

Растягивающее усилие создает напряжение в испытуемом образце и вызывает его удлинение; когда напряжение превзойдет прочность образца, он разорвется.

На рис. 12 приведена диаграмма растяжения низкоуглеродистой стали. По оси ординат откладывается усилие Р, МН, по оси абсцисс — деформация (абсолютное удлинение) образца ∆l, мм. Эта диаграмма получается при медленном увеличении растягивающего усилия вплоть до разрыва испытуемого образца.

Рис. 11. Образцы испытуемого металла на прочность и пластичность при растяжении: а – до испытания; б – после испытания

Рис. 12. Диаграмма растяжения пластичного металла

Напряжение σ, МПа, определяется как отношение усилия Р к площади поперечного сечения образца F₀, мм²:

σ = P / F₀.

На диаграмме можно отметить несколько характерных точек. Участок 0А является отрезком прямой и показывает, что до точки А удлинение образца пропорционально нагрузке: каждому приращению нагрузки соответствует и одинаковое приращение деформации. Такая зависимость между удлинением образца и приложенной нагрузкой P_А соответствует пределу пропорциональности Р_пц.

При дальнейшем нагружении образца наблюдается отклонение от закона пропорциональности: на диаграмме появляется криволинейный участок, но до точки D деформации образца упругие. Напряжение, до которого образец получает только упругую деформацию, называется пределом упругости. Оно определяется по формуле, МПа

σ_упр = PD / F0.

Точкой С на диаграмме отмечено начало горизонтальной площадки, которая показывает, что образец удлиняется без увеличения нагрузки: металл как бы течет. Напряжение, при котором без заметного увеличения нагрузки продолжается деформация образца, называется физическим пределом текучести. Предел текучести σ_т (МПа) определяется по формуле

σ_т = P_С / F₀,

где Р_С – нагрузка в точке С.

Текучесть характерна лишь для низкоуглеродистой отожженной стали и для латуни некоторых марок. Стали с большим массовым содержанием углерода и другие металлы не имеют площадки текучести на диаграмме растяжения. Для таких металлов определяют условный предел текучести σ_0,2, при котором растягиваемый образец получает остаточное удлинение, равное 0,2 % своей расчетной длины:

σ_0,2 = Р_0,2 / F0.

Точка В показывает наибольшую нагрузку, которую может выдержать образец. Напряжение, отвечающее наибольшей нагрузке, предшествующей разрушению образца, называется временным сопротивлением разрыву, или пределом прочности σ_В, и определяется по формуле

σ_В = Р_max / F₀,

где Р_max – нагрузка в точке В (рис. 12).

При разрыве в точке K упругая деформация ∆l_уп исчезает (она в любой точке кривой соответствует отрезку, отсекаемому на оси абсцисс нормалью этой точки и прямой, проведенной из этой точки и параллельной отрезку 0А). Длина образца увеличилась на абсолютное остаточное удлинение – ∆l_ост (рис. 11), значение которого указано на оси абсцисс диаграммы растяжения и определяет пластичность испытуемого материала (рис. 12).

Пластичность – это способность материала получать остаточное изменение формы и размера без разрушения.

Для оценки пластичности металла важно знать относительное удлинение δ и относительное сужение площади поперечного сечения Ψ.

Относительное удлинение, %, определяют по формуле

где l_к – длина образца после разрыва (конечная), мм; l₀ – первоначальная длина образца, мм (рис. 11).

Относительное сужение, %, определяют по формуле

где F₀ – начальная площадь поперечного сечения образца, мм²; F_к – площадь в месте разрыва, мм².

У хрупких металлов относительное удлинение δ и относительное сужение Ψ близки к нулю; у пластичных металлов они достигают нескольких десятков процентов.

Модуль упругости Е, МПа, – отношение напряжения в металле при растяжении к соответствующему относительному удлинению в пределах упругой деформации (отрезок 0В на диаграмме растяжения):

Е = σ / δ.

Модуль упругости характеризует жесткость металла, его сопротивление деформации.

Таким образом, при статическом испытании на растяжение определяют характеристики прочности, упругости и пластичности.

В отличие от прочностных характеристик материала определение твердости производится быстро и не требует специальных образцов.

Твердость – это способность материала сопротивляться внедрению в его поверхность другого, не получающего остаточных деформаций тела.

Сведения о твердости позволяют в некоторых случаях судить о других механических свойствах металлов, например о прочности, поэтому испытания на твердость широко применяют в практике. Наибольшее распространение имеют методы вдавливания твердого наконечника (индентора), рассмотренные ниже.

Метод Бринелля. Относится к стандартным методам измерения твердости (ГОСТ 9012-59). Стальной закаленный шарик диаметром D (10; 5; 2,5; 2 или 1 мм) вдавливают в испытуемый образец силой Р (рис. 13, а). В результате на поверхности образца остается отпечаток в форме лунки диаметром d. Размер отпечатка (рис. 13, б) будет тем меньше, чем тверже металл. Твердость по Бринеллю, НВ, вычисляют по формуле

НВ = P / F,

где Р – нагрузка на шарик, Н; F – площадь поверхности отпечатка, мм². Число твердости по Бринеллю записывают без единиц измерения.

Рис. 13. Определение твердости: а — схема определения твердости по Бринеллю; б – отпечаток стального шарика на изучаемом образце; в — прибор для измерения твердости по методу Бринелля

Для испытания с использованием того или иного шарика установлен определенный интервал нагрузок. Испытания по Бринеллю производят на прессах ТШ (рис. 13, в). В государственных стандартах и справочниках число твердости по Бринеллю при испытании шариком с D = 10 мм и нагрузкой 30 000 Н обозначают цифрами, характеризующими значение твердости, и буквами НВ, например, 185 НВ. По этому методу можно испытывать материалы твердостью не более 450 НВ.

Метод Роквелла. Данный метод измерения твердости менее трудоемкий и более универсальный (ГОСТ 9013-59). Твердость определяют вдавливанием в поверхность образца алмазного конуса с углом 120° или стального шарика диаметром D = 1,58 мм (1/16 дюйма).

Образец помещают на столик 3 твердомера ТК (рис. 14) и вращением маховика 4 поднимают его до соприкосновения с алмазным конусом 2 или стальным шариком. Вращение маховика 4 продолжают до достижения давления на образец 100 Н (предварительная нагрузка), что показывает малая стрелка индикатора Затем включают основную нагрузку рукояткой 5. Вдавливание длится 5–6 с, затем нагрузка снимается.

Твердость по Роквеллу является величиной условной, характеризующей разность глубин отпечатков. Одно деление шкалы прибора соответствует 2 мкм глубины проникновения алмазного конуса или шарика в образец. Твердость обозначают цифрами, определяющими уровень твердости, и буквами HR с указанием шкалы твердости, например: 70 HRA, 58 HRC, 50 HRB.

Шкала А (наконечник – алмазный конус, общая нагрузка 588 Н). Эту шкалу применяют для особо твердых материалов, для тонких листовых материалов или тонких (0,5–1,0 мм) слоев. Измеренную твердость обозначают HRA. Пределы измерения твердости по этой шкале 70–85.

Шкала В (наконечник – стальной шарик, общая нагрузка 981 Н). По этой шкале определяют твердость сравнительно мягких материалов (<400 НВ). Пределы измерения твердости по шкале В 25–100, например 30 HRВ.

Числа твердости по Роквеллу не имеют точных соотношений с числами твердости по Бринеллю.

Шкала С (наконечник – алмазный конус, общая нагрузка 1 472 Н). Эту шкалу используют для твердых материалов (>450 НВ), например закаленных сталей. Пределы измерения твердости по шкале С 20–67, например 45 HRC.

Рис. 14. Прибор для измерения твердости по Роквеллу: 1– циферблат индикатора; 2 — наконечник (алмазный конус или стальной шарик); 3 – столик прибора; 4 – маховик; 5 – рукоятка

Рис. 15. Схема определения твердости по Виккерсу

Твердость по Виккерсу. При стандартном методе измерения твердости по Виккерсу (ГОСТ 2999–75) в поверхность образца вдавливают четырехгранную алмазную пирамиду с углом при вершине 136º. Отпечаток получается в виде квадрата (рис. 15), диагональ которого измеряют после снятия нагрузки.

На практике число твердости определяют по специальным таблицам по значению диагонали отпечатка при выбранной нагрузке.

Метод Виккерса применяют главным образом для материалов, имеющих высокую твердость, а также для испытания на твердость деталей малых сечений или тонких поверхностных слоев. Как правило, используют небольшие нагрузки: 10, 30, 50, 100, 200, 500 Н. Чем тоньше сечение детали или исследуемый слой, тем меньше выбирают нагрузку.

Числа твердости по Виккерсу и по Бринеллю для материалов, имеющих твердость до 450 НВ, практически совпадают.

Механические свойства, определяемые при динамических нагрузках

При работе деталей машин возможны динамические нагрузки, при которых многие металлы проявляют склонность к хрупкому разрушению. Опасность разрушения усиливают надрезы – концентраторы напряжений. Для оценки склонности металла к хрупкому разрушению под влиянием этих факторов проводят динамические испытания на ударный изгиб на маятниковых копрах (рис. 16, а). Стандартный образец, выполненный в соответствии с ГОСТ 9454–78, устанавливают на две опоры и посредине наносят удар, приводящий к разрушению образца (рис. 16, б).

Рис. 16. Схема испытаний на ударную вязкость: а – маятниковый копер: 1 – нож; 2 – стойка; 3 – образец; 4 – основание; 5 – опора образца; 6 – шкала; б – испытание на ударный изгиб V-образного образца

По шкале маятникового копра определяют работу K, Н, затраченную на разрушение, и рассчитывают основную характеристику, получаемую в результате этих испытаний, – ударную вязкость:

KC = K / S₀ ¹,

где S₀¹ – площадь поперечного сечения образца в месте надреза.

Единица измерения ударной вязкости – мегаджоуль на квадратный метр (МДж/м²).

Предусмотрены испытания образцов с концентратором напряжений трех видов: U-образным (радиус надреза r = 1 мм); V-образным (r = 0,25 мм) и Т-образным (трещина усталости, созданная в основании надреза). Соответственно ударную вязкость обозначают: KСU, KСТ, KСV.

Основным критерием ударной вязкости является KСU. Она состоит из двух составляющих:

KСU = KС₃ + KС_р,

где KС₃ – работа зарождения трещины; KС_р ≈ KСТ – работа распространения трещины.

Чем острее надрез, тем меньше KС₃. Критерий KСТ является критерием трещиностойкости, оценивающим сопротивление материала распространению трещины.

Ударная вязкость из всех характеристик механических свойств наиболее чувствительна к снижению температуры. Поэтому испытания на ударную вязкость при пониженных температурах используют для определения порога хладноломкости – температуры или интервала температур, в котором происходит снижение ударной вязкости.

Хладноломкость – свойство металлического материала терять вязкость, хрупко разрушаться при понижении температуры. На переход от вязкого разрушения к хрупкому указывают изменения строения излома и резкое снижение ударной вязкости. Порог хладноломкости обозначают интервалом температур либо одной температурой t₅₀, при которой KСТ снижается наполовину.

Механические свойства, определяемые при переменных (циклических) нагрузках

Многие детали машин (валы, шатуны, зубчатые колеса) испытывают во время работы повторяющиеся циклические нагружения.

Цикл напряжения – совокупность изменения напряжений между двумя его предельными значениями σ_max и σ_min в течение периода Т. При экспериментальном исследовании сопротивления усталости материала за основной принят синусоидальный цикл изменения напряжения (рис. 17, а). Он характеризуется коэффициентом асимметрии цикла R = σ_min / σ_max.

Различают симметричные циклы (R = -1) и асимметричные (R изменяется в широких пределах). Различные виды циклов характеризуют различные режимы работы деталей машин.

Процессы постепенного накопления повреждений в материале под действием циклических нагрузок, приводящие к изменению его свойств, образованию трещин, их развитию и разрушению, называют усталостью, а свойство противостоять усталости – выносливостью.

Рис. 17. Схема испытаний на усталость: а – диаграмма циклического изменения напряжений; б – образец

Разрушение от усталости по сравнению с разрушением от статической нагрузки имеет ряд особенностей.

1. Разрушение происходит при напряжениях меньших, чем при статической нагрузке (меньше предела текучести или прочности).
2. Разрушение начинается на поверхности (или вблизи от нее) локально, в местах концентрации напряжений. Локальную концентрацию напряжений создают повреждения поверхности в результате циклического нагружения либо надрезы в виде следов обработки или воздействия среды.
3. Разрушение протекает в несколько стадий, характеризующих процессы накопления повреждений в материале, образования трещин усталости, постепенное развитие и слияние некоторых из них в одну магистральную трещину и быстрое окончательное разрушение.
4. Разрушение имеет характерное строение излома, отражающее последовательность процессов усталости. Излом состоит из очага разрушения (места образования микротрещин) и двух зон – усталости и долома (рис. 18, а).

Очаг разрушения примыкает к поверхности и имеет небольшие размеры и гладкую поверхность.

Зону усталости формирует последовательное развитие трещины усталости. В этой зоне видны характерные бороздки, которые имеют конфигурацию колец, что свидетельствует о скачкообразном продвижении трещины усталости. Зона усталости развивается до тех пор, пока в уменьшающемся рабочем сечении напряжения возрастут настолько, что вызовут его мгновенное разрушение. Эту последнюю стадию разрушения характеризует зона долома (рис. 18, а).

О способности материала работать в условиях циклического нагружения судят по результатам испытаний образцов на усталость. Их проводят на специальных машинах, создающих в образцах многократное нагружение (растяжение-сжатие, изгиб, кручение). Образцы (не менее 15 шт.) испытывают последовательно на разных уровнях напряжений, определяя число циклов до разрушения. Результаты испытаний изображают в виде кривой усталости, которая в логарифмических координатах (максимальное напряжение цикла σ_max – число циклов нагружений N) состоит из участков прямых линий (рис. 18, б). Горизонтальный участок определяет напряжение, которое не вызывает усталостного разрушения после неограниченно большого или заданного (базового N_σ) числа циклов. Это напряжение представляет собой физический предел выносливости σ_R (R – коэффициент асимметрии цикла) при симметричном цикле σ_–1.

Рис. 18. Усталостное разрушение: а – излом усталостного разрушения (схема): 1 – очаг зарождения трещины; 2 – зона усталости; 3 – зона долома; б – кривые усталости для стали (1) и для цветных металлов (2)

Наклонный участок кривой усталости характеризует ограниченный предел выносливости, который может выдержать материал в течение определенного числа циклов.

Кривые с горизонтальным участком типичны для сталей при невысоких температурах испытаний. Кривые без горизонтального участка (рис. 18, б) характерны для цветных металлов, а также для всех материалов, работающих при высоких температурах или в коррозионной среде. Такие материалы имеют только ограниченный предел выносливости.

Кривые усталости позволяют определить следующие критерии выносливости:

1. циклическую прочность – физический или ограниченный предел выносливости. Она характеризует несущую способность материала, т. е. то наибольшее напряжение, которое он способен выдержать за определенное время работы;
2. циклическую долговечность – число циклов (или эксплуатационных часов), которые выдерживает материал до образования усталостной трещины определенной протяженности или до усталостного разрушения при заданном напряжении.