Механічні властивості характеризують здатність матеріалу чинити опір деформації і руйнування під дією прикладених навантажень.
За характером зміни в часі діючого навантаження механічні випробування можуть бути статичними (на розтяг, стиск, вигин, крутіння), динамічними (на ударний вигин) і циклічними (на втому).
По впливу температури на процес їх ділять на випробування при кімнатній температурі, низькотемпературні і високотемпературні (на тривалу міцність, повзучість).
Статичні випробування проводяться при впливі на зразок з певною швидкістю постійно діючої навантаження. Швидкість деформації становить від 10 - 4 до 10 - 1 з - 1. Статичні випробування на розтягнення відносяться до найбільш поширеним. Властивості, що визначаються при цих випробуваннях, наведені в численних стандартах за технічними умовами на матеріали. До статичних відносяться іспити на розтяг, стиск, вигин, крутіння.
Динамічні випробування характеризуються додатком до зразка ударного навантаження і значною швидкістю деформації. Тривалість випробування не перевищує сотень часток секунди. Швидкість деформації становить близько 10 2 с - 1. Динамічні випробування найчастіше проводять за схемою ударного вигину зразків з надрізом.
Циклічні випробування характеризуються багаторазовими змінами навантаження за величиною і за напрямком. Прикладом випробувань є випробування на втому, вони тривалі і по їх результату визначають число циклів до руйнування при різних значеннях напруги. В кінцевому підсумку знаходять граничні напруги, який зразок витримує без руйнування протягом певного числа циклів навантаження.
Найпростішим механічною властивістю є твердість. Методи визначення твердості в залежності від швидкості прикладання навантаження діляться на статичні і динамічні, а за способом її застосування - на методи вдавлення і дряпання. Методи визначення твердості по Бринеллю, Роквеллу, Віккерсу відносяться до статичних методів випробування.
Твердість - це здатність матеріалу чинити опір вдавленням в нього більш твердого тіла (індентора) під дією зовнішніх сил.
При випробуванні на твердість в поверхню матеріалів вдавлюють піраміду, конус або кульку (индентор), в зв'язку з чим розрізняють методи випробувань, відповідно, по Віккерсу, Роквеллу і Бринелю. Крім того, існують менш поширені методи випробування твердості: метод пружного відскоку (по Шору), метод порівняльної твердості (Польді) і деякі інші.
При випробуванні матеріалів на твердість не виробляють стандартних спеціальних зразків, проте до розмірів і поверхні зразків і виробів пред'являються певні вимоги.
Твердість по Віккерсу (ГОСТ 2999-75) встановлюють шляхом вдавлення в метал індентора - алмазної піраміди з кутом при вершині 136 ° під дією постійного навантаження Р: 1; 2; 2,5; 3; 5; 10; 20; 30; 50 або 100 кгс і витримки під навантаженням протягом 10-15 с. Для визначення твердості чорних металів і сплавів використовують навантаження від 5 до 100 кгс, мідних сплавів - від 2,5 до 50 кгс, алюмінієвих сплавів - від 1 до 100 кгс. Після зняття навантаження з допомогою мікроскопа приладу знаходять довжину діагоналі відбитка, а твердість HVрассчітивают за формулою
де Р - навантаження, кгс; d- діагональ відбитка, мм.
Є таблиця залежності твердості від величини навантаження і довжини діагоналі. Тому на практиці обчислень не виробляють, а користуються готової розрахунковою таблицею. Твердість по Віккерсу HVізмеряется в кгс / мм 2. Н / мм 2 або МПа. Значення твердості по Віккерсу може змінюватися від HV2060 до HV5 при навантаженні 1 кгс.
За методом Бріннелля вдавлюють в зразок або виріб сталевий загартований кульку діаметром 10, 5 або 2,5 мм під дією навантажень 3000, 1000, 750, 500, 250, 62,5 кгс і ін. (ГОСТ 9012-59, рис. 1. ). Отриманий круглий відбиток на зразку вимірюють під лупою і за таблицями знаходять величину твердості по Бринеллю, значення якої не перевищує 450 НВ. Твердість по Брінеллю майже збігається зі значеннями твердості по Віккерсу.
Твердість НВ - це також величина напружень опору вдавленню:
HB = P / Fot = P / πDt = 2P / πD (D-√ (D 2 -d 2))
D- діаметр кульки, мм;
d- діаметр відбитка, мм.
Твердість по Брінеллю НВ (за замовчуванням) має розмірність кгс / мм 2. наприклад, твердість алюмінієвого сплаву дорівнює 70 НВ. При навантаженні, яка визначається в ньютонах, твердість по Брінеллю вимірюється в МПа. Наприклад, твердість отожженной стали дорівнює 207 НВ при навантаженні 3000 кгс, діаметрі кульки 10 мм, діаметрі відбитка 4,2 мм або, враховуючи коефіцієнт перекладу: 1 Н = 9,8 кгс,
Мал. 1. Схема визначення твердості по Бринеллю
За методом Роквелла (ГОСТ 9013-59) вдавлюють алмазний конус з кутом при вершині 120 ° (шкали А і С) або сталева кулька діаметром 1,5875 мм (шкала В).
При цьому визначають твердість, відповідно, HRA, HRC і HRB. В даний час вимірювання твердості за методом Роквелла є найбільш поширеним методом, тому що при використанні твердомірів Роквелла не потрібно вимірювати відбиток, число твердості зчитується зі шкали приладу відразу після зняття основного навантаження.
Метод полягає у вдавливании в випробуваний зразок індентора під дією двох послідовно прикладаються навантажень - попередньої Р0 і основний Р1 яка додається до попередньої, так що загальне навантаження Р = Р0 + Р1 Після витримки протягом декількох секунд основне навантаження знімають і вимірюють залишкову глибину проникнення індентора, який при цьому продовжує перебувати під дією попереднього навантаження. Переміщення основної стрілки індикатора на одну поділку шкали відповідає переміщенню індентора на 0,002 мм, яке приймається за одиницю твердості.
На рис. 2 представлена схема вимірювання твердості за методом Роквелла алмазним або твердосплавним конусом. При випробуваннях вимірюють глибину відновленого відбитка. Шкали А і С між собою збігаються, оскільки випробування проводять одним і тим же індентором - алмазним конусом, але при різних навантаженнях: 60 і 150 кгс відповідно. Твердість у цьому випадку визначається як
За шкалою В (навантаження 100 кгс, кулька)
Мал. 2. Схема визначення твердості по Роквеллу (индентор - конус)
На практиці значення твердості по Роквеллу не розраховуються за формулами, а зчитуються з відповідною (чорної або червоної) шкали приладу. Шкали HRC і HRA використовуються для високої твердості, HRB -для низькою. Число твердості по Роквеллу вимірюють в умовних одиницях, воно є мірою глибини вдавлення індентора під певним навантаженням.
Випробування на розтяг матеріалів проводять відповідно до ГОСТ 1497-84 «Методи випробувань на розтягування». Стандарт встановлює методи статичних випробувань на розтяг чорних і кольорових металів для визначення при температурі 20 ° С меж пропорційності, пружності, плинності, тимчасового опору розриву, відносного подовження і відносного звуження, модуля пружності.
Для випробувань застосовують плоскі і циліндричні зразки, вирізані з деталі або спеціально виготовлені. Розміри зразків регламентовані зазначеним стандартом, вони підкоряються геометричному подобою і можуть бути короткими і довгими. Для циліндричного зразка береться співвідношення початкової робочої довжини l0 і вихідного діаметра d0. l0 = 5d0 - короткий зразок, l0 = 10d0 - довгий зразок. Для плоского зразка береться співвідношення робочої довжини l0 і площі поперечного перерізу F0:
l0 = 5,65√F0 - короткий зразок, l0 = 11,3√F0 - довгий зразок. Циліндричні зразки виготовляються діаметром 3 мм і більше. Зразки складаються з робочої частини довжиною l0 і головок, форма і розмір яких відповідають захопленням машини (рис. 3).
Розтягування зразка проводять на спеціальних машинах, що дозволяють фіксувати величину додається навантаження і зміна довжини зразка при розтягуванні. Ці ж машини дають можливість записувати зміна довжини зразка при збільшенні навантаження (рис. 4), тобто первинну діаграму випробування на розтягнення в координатах: навантаження Р, Н, кН; і абсолютне подовження зразка А, мм.
Мал. 4. Первинна діаграма розтягування
Вимірюючи величину навантаження в характерних точках діаграми випробувань на розтяг (рис.4), визначають наступні параметри механічних властивостей матеріалів:
σ ПЦ - межа пропорційності, точка р;
σ 0,05 - межа пружності, точка е;
σ т - межа плинності фізичний, точка s;
σ 0,2 - межа плинності умовний;
σ в - тимчасовий опір розриву, або межа міцності, точка b.
Значення 0,05 і 0,2 в запису межі пружності і плинності відповідають величині залишкової деформації Δl у відсотках від l0 при розтягуванні зразка. Напруження при випробуванні на розтяг обчислюють шляхом ділення навантаження Р, що відповідає характерній точці на діаграмі, на площу початкового поперечного перерізу F0 робочої частини випробуваного зразка:
Площа поперечного перетин F0 визначається за такими формулами:
для циліндричного зразка
для плоского зразка
де а0 - первісна товщина; b0 - первісна ширина зразка.
У точці k встановлюють напругу опору руйнуванню матеріалу.
Межа пропорційності і межа пружності визначають за допомогою тензометра (прилад для визначення величини деформації). Межа плинності фізичний і умовний розраховують, знаходячи навантаження по діаграмі розтягування. Якщо на діаграмі немає майданчика плинності, то для обчислення умовної межі текучості необхідно провести графічні побудови на діаграмі (рис. 1.5). Спочатку знаходять величину залишкової деформації, що дорівнює 0,2% від l0. далі відзначають відрізок на осі деформації, що дорівнює 0,2% від l0. і проводять лінію, паралельну пропорційного ділянці діаграми розтягування, до перетину з кривою розтягування.
Навантаження P0,2 відповідає точці їх перетину. Фізичний і умовний межа плинності характеризують здатність матеріалу до початку пластичної деформації, тобто опір малої пластичної деформації.
Межа міцності можна підрахувати, використовуючи свідчення силовимірювача, по максимальному навантаженні Рmax при розриві або знайти Рmax (Рм) по первинній діаграмі розтягування. Характер деформації при розтягуванні в'язких і крихких матеріалів істотно різниться.
Тендітні матеріали після досягнення максимального навантаження швидко руйнуються без значної пластичної деформації, тому σв для
тендітних матеріалів є характеристикою опору руйнуванню, а для пластичних - характеристикою опору деформації.
Напруга руйнування визначають як справжнє. При цьому навантаження руйнування ділять на кінцеву площа поперечного перерізу зразка після руйнування FK:
Всі розраховані таким чином величини є характеристиками міцності матеріалу.
Пластичність, тобто здатність деформуватися без руйнування, характеризується змінами розмірів зразка. При випробуванні на розрив визначають наступні характеристики пластичності:
де lк. Fк - відповідно, довжина робочої частини і площа поперечного перерізу зразка після розриву.
Розраховані характеристики механічних властивостей після випробування на розтягнення заносяться до протоколу.
Ударна в'язкість характеризує питому роботу, затрачену на руйнування при ударі зразка з надрізом. Ударна в'язкість випробовується на маятниковому копрі з постійним запасом роботи маятника по ГОСТ 9454-78 «Метали. Метод випробування на ударний вигин при зниженій, кімнатній і підвищеній температурах ». Стандарт поширюється на чорні і кольорові метали і сплави і встановлює метод випробування при температурах від -100 до +1000 ° С. Метод заснований на руйнуванні ударом маятникового копра зразка з концентратором напружень. В результаті випробування визначають повну роботу, витрачену при ударі К, або ударну в'язкість КС.
Використовують зразки прямокутної форми з концентратором типу U, V, Т (усталостная тріщина). Найбільш поширеними зразками є зразки розмірами 55x10x10 мм з U-концентратом 2x2 мм (рис. 6).
Мал. 6. Стандартний зразок Сu-образним надрізом для випробувань на ударний вигин
На руйнування ударом зразка витрачається тільки частина енергії маятника, в зв'язку з чим маятник після руйнування зразка продовжує рухатися, відхиляючись на певний кут. Чим більше величина роботи, що витрачається на руйнування зразка, тим на менший кут він відхиляється від вертикалі після руйнування. За величиною цього кута і визначають роботу удару До або роботу, витрачену на руйнування зразка. Роботу руйнування До відносять до площі поперечного перерізу зразка Soв місці зламу і тим самим знаходять КС - ударну в'язкість:
де Kізмеряется в Дж (кгс * м), S0 - в м 2 (див 2).
Залежно від виду концентратора ударна в'язкість позначається