Все металлы и сплавы, применяемые в различных областях техники, обладают определенными механическими свойствами, характеризующими их поведение под действием внешних сил. Количественно механические свойства определяются при испытании образцов, вырезанных из исследуемого материала.
По характеру изменения нагрузки, прикладываемой к образцу, механические испытания делят на;
– статические (постоянно действующая и медленно возрастающая нагрузка),
– динамические (быстро возрастающая нагрузка) и
– вибрационные (циклическая нагрузка).
Основными видами механических испытаний металлов являются испытания на одноосное статическое растяжение, удар, твердость и др. Стандартные обозначения некоторых характеристик приведены в табл.3.1.
Таблица 3.1
Основные характеристики механических свойств металлов и сплавов
| № | Свойство | Обозначение, стандарт | Определение | |
| отечественный | иностранный | |||
| Модуль упругости (elastic modulus) | E | E | Отношение приращения напряжения к соответствующему приращению удлинения в пределах упругой деформации | |
| Предел текучести: физический; условный |
 т, 0,2
| Re Rp 0.2 | Напряжение, при котором материал изменяет свою длину при постоянной нагрузке; остаточное удлинение составляет 0,2% первоначальной длины | |
| Предел упругости: условный предел упругости | е
0,005
| Rе 0.005 | Напряжение, при котором остаточное деформация достигает некоторого значения «Х», характеризуется определенным допуском, установленным техническими условиями (0,003;0,005;0,3) | |
| Временное сопротивление разрыву или предел прочности (tensile strength) | 
| Rp 1 | Напряжение, соответствующее наибольшей нагрузке, предшествующей разрушению образца | |
| Относительное удлинение (specific elongation) |
| A  , А 
| Отношение приращения расчётной длины образца после разрушения к начальной расчётной длине, % | |
| Предел ползучести (creep limit) |
|
R 
| Пример: напряжение, которое вызывает деформацию 0,2% за100 ч при 700  С
| |
| Предел длительной прочности (stress-rubture strength) |
|
R 
| Пример: напряжение, вызывающее разрушение металла за 1000 часов испытания при постоянной температуре 700  С
| |
| Предел выносливости (fatigue strength) |
|
 , 
| Максимальное напряжение, которое выдерживает материал, не разрушаясь при достаточном числе повторно-переменных нагружений (циклов) | |
| Твёрдость по Бринеллю (hardness); Твердость по Роквеллу | НB HRB HRC, HRCэ HRA | Отношение нагрузки, вдавливающей стальной шарик в испытуемый материал, к площади поверхности получаемой сферической лунки в металле. Стальной шарик; Алмазный конус: С – твердые; Cэ – весьма твердые; А – твердые тонкие поверхностные слои | ||
| Ударная вязкость (impact strangth) | KCT, KCU, KCV | KCT, KCU, KCV | Работа удара, отнесённая к начальной площади поперечного сечения образца в месте концентратора (T – трещина; U – надрез с радиусом 1 мм; V – с радиусом 0,25мм) |
|
|
Испытание на растяжение
Основными видами испытания металлов являются одноосное статическое растяжение, на удар и на твердость. Испытания на растяжение выполняют на образцах круглого или прямоугольного поперечного сечения (рис.3.1) (цилиндрические или плоские) в условиях медленно возрастающей нагрузки (статическая).
|
|
Рис 3.1. Образцы для испытания на растяжение:
I – плоские; II – круглые (а – до испытания,
б – после испытания)
Образцы имеют рабочую длину l, расчетную l o и головки, предназначенные для закрепления образцов в захватах испытательной машины. Размеры рабочей и расчетной частей определяются стандартом. Рабочая длина l – часть образца между головками. Расчетная длина l o – часть образца с постоянной площадью поперечного сечения F o, на которой осуществляют измерения удлинения образца под нагрузкой. Расчетная длина образца ограничивается на рабочей длине неглубокими кернами или рисками.
Испытания на растяжение выполняются на специальных разрывных машинах (рис.3.2), которые имеют три основных узла: нагружения 1, измерения силы 2 и станину, на которой монтируются эти узлы. Большинство машин снабжено устройством для автоматической записи диаграммы растяжения – диаграммным аппаратом 3, записывающим кривую растяжения в координатах нагрузка – удлинение образца.
Рис.3.2. Внешний вид машины для испытания металлических образцов на растяжение: 1 – направляющие; 2 – линейка удлинений; 3 – круговая шкала; 4 –колонны; 5 – зажимные головки;6 – ручка; 7 – выключатель; 8 –ползун;
9 – маховик; 10 – шпиндель
На рис.3.3 приведена диаграмма растяжения образца из низкоуглеродистой стали. На оси ординат откладывается нагрузка Р (кгс), на оси абсцисс – удлинение образца D l (мм). Эта кривая характеризует поведение металла при растяжении от момента начала нагружения до разрыва образца.
|
|
Рис. 3.3. Диаграмма растяжения образца из низкоуглеродистой стали
При испытании на растяжение определяют прочность, текучесть, упругость металла и его пластичность.
Прочность (временное сопротивление разрушению), оцениваемая пределом прочности – sв (кгc/мм2 = 9,8 МПа).
Текучесть, оцениваемая условным пределом текучести s 0,2 (кгc/мм2 = 9,8 МПа) или sт (кгc/мм2 = 9,8 МПа), характеризует напряжение, при котором металл деформируется без увеличения нагрузки («течет»).
Предел прочности и предел текучести необходимы при выборе материала для детали, работающей в условиях конкретных расчетных напряжений – s экспл.Их значения выбираются конструктором с учетом определенного запаса прочности – n, обеспечивающего надежность от возможного разрушения или деформации материала детали в процессе эксплуатации.
В зависимости от условий работы и ответственности конструкции ее расчет ведут по пределу прочности или пределу текучести, выбирая соответствующий запас прочности n или n 1:
n = s в / s экспл=1,5 - 3,0; n1 = sт/s экспл = 1,2 - 2,5
Упругость, оцениваемая модулем упругости Е или пределом упругости – s е (кгc/мм2 ≈ 9.8 МПа), характеризует свойства металла возвращаться к своей первоначальной форме после снятия нагрузки.
Условный предел упругости – напряжение, при котором остаточное удлинение достигает заданной величины (≤ 0,05% от первоначальной длины образца).
Предел упругости применяется при расчетах упругих звеньев машин (пружины, рессоры и т.д.).
Предел пропорциональности s пц (кгc/мм2 ≈ 10 МПа) – напряжение, которое материал выдерживает без отклонения от закона Гука. Часто используется условный предел пропорциональности близкий к пределу упругости.
Пластичность, оцениваемая относительным удлинением d % и поперечным сужением y %, характеризует способность металла к пластической деформации без разрушения.
Рассмотрим диаграмму растяжения пластичного сплава.
До точки а идет прямая линия, это значит, что удлинение пропорционально нагрузкам, прилагаемым к испытываемому образцу. Если нагрузку удалить, то образец сократиться до первоначального размера. Способность металла восстанавливать свою форму называется упругостью, а деформация – упругой. Максимальное напряжение, при котором в образце наблюдаются только упругие деформации, называется пределом упругости s e. С пределом упругости близко совпадает предел пропорциональности s пц, при котором остаточное удлинение достигает некоторого определенного значения, устанавливаемого техническими условиями. Предел пропорциональности вычисляется по формуле:
При дальнейшем повышении нагрузки прямолинейность нарушается, так как нарушается пропорциональность между удлинением и нагрузкой, появляются остаточные удлинения. В точке l 0 кривая переходит в горизонтальную линию, длина образца увеличивается без возрастания растягивающих усилий.
После горизонтального участка пластическая деформация повышает плотность дефектов кристаллического строения и прочность. Напряжение начинает увеличиваться до точки в, где достигает максимума и соответствует нагрузке предела прочности. Предел прочности определяется по формуле:
При нагрузке Р, соответствующей точке к, происходит разрыв образца.
Для оценки пластичности металла определяют относительное удлинение d (дельта) и относительное сужение поперечного сечения y (пси).
Относительное удлинение, выражаемое в %, определяется отношением абсолютного удлинения D l, равного разности длин (l к – l о), к первоначальной длине l о (до разрыва образца).
Относительное сужение – это отношение изменения площади поперечного сечения образца при растяжении к его начальной площади, выраженное в процентах.
Нагрузка P Т, соответствующая горизонтальному участку на кривой, называется нагрузкой предела текучести, а соответствующее напряжение – физическим пределом текучести. Если при растяжении образца не образуется горизонтальная площадка, то за нагрузку предела текучести принимают нагрузку, соответствующую остаточному удлинению 0,2% от расчетной длины образца и обозначают ее P 0,2. Соответствующие напряжения называют условным пределом текучести s 0,2.
Предел текучести физический – s т и предел текучести условный – s 0,2 определяют по формулам:
, МПа
, МПа
Относительное удлинение определяется по формуле:
где l к – расчетная длина образца после разрыва, мм;
l о – расчетная длина образца до испытания, мм.
Относительное сужение определяется по формуле:
y 
где F o – начальная площадь поперечного сечения образца, мм2;
F к – площадь образца в месте разрыва, мм2
Значения относительного удлинения и поперечного сужения определяют способность металла противостоять хрупкому разрушению.