Механические свойства металлов и сплавов

Механические свойства металлов: что о них нужно знать

Оценивать механические свойства металлов и сплавов нужно тщательно и комплексно, чтобы получить о них глубокое представление.

Для последнего абзаца: Точное знание механических свойств металлов и сплавов позволит их грамотно применять, предотвращая различные нежелательные события.

В чём суть таких параметров и как ими пользуются

К механическим свойствам металлов относятся все те, которые определяют возможность пережить более или менее жёсткие условия эксплуатации. Характеризуя базовые свойства металлов и сплавов, следует подчеркнуть, что они обеспечивают эффективную реакцию не только на внешние воздействия, но и на внутренние изменения. От основных механических свойств металлов неизменно зависит продолжительность возможного использования в той или иной обстановке. Более того, само применение металлов и сплавов прямо зависит от их механистических параметров, поскольку они влияют на надёжность конструкций.

Описывая состояние металлов и сплавов, нужно чётко указывать:

• какова температура в момент изучения;
• насколько высоко давление;
• уровень влажности;
• химическую агрессивность среды.

При обсуждении основных механических свойств без подобных поправок легко можно допустить непоправимую ошибку. Она состоит в том, что типичные механические свойства в нормальной повседневной обстановке абсолютизируют и распространяют на все возможные ситуации. При разговоре про механические свойства частой ошибкой является также попытка дать чисто качественное описание. При анализе свойств металлопроката профессионалы опираются на диаграммы состояний. Это помогает, давая оценку свойств металлов, сразу соединять механические, физические и технологические аспекты в одно целое.

В диаграммах отображают такие поля:

• жидкое состояние;
• феррит
• аустенит;
• BCC-феррит;
• цементит;
• перлит;
• ледебурит.

С помощью графиков можно безупречно подобрать схему термообработки и исключить нештатные ситуации. Если для технолога важны точки перехода, могут быть дополнительно составлены диаграммы изотермического и изоплетного типа. Это поможет более точно обнаружить вероятные критерии изменения характеристик и добиться желаемого набора параметров.

Твёрдость металлов и её значение

Даже неспециалисты понимают, насколько среди механических свойств вообще выделяется этот аспект. Давно известно, что именно прочностное свойство металлов, выдвигающее их в разряд одних из самых устойчивых (наряду с камнем) видов веществ, обусловлена особенностями кристаллической решётки. Устойчивость конкретных металлов связана с количеством систем сдвига. Чем их больше, тем ниже твёрдость. Однако ещё одно актуальное свойство металлов – размер зерна. Чем оно мельче, тем прочнее получается предмет, потому что границы мешают распространению деформаций.

Твёрдость прямо связана также с точечными и линейными дефектами, но на неё могут повлиять и химические факторы. Для управления твёрдостью применяют такие приёмы обработки, как:

• закаливание (формирование мартенсита в результате стремительного охлаждения);
• отжиг (устранение изъянов, которые делают материал мягче);
• введение углерода, хрома.

Твёрдость весьма важна для получения надёжных инструментов, деталей и узлов. Она прямо влияет на прочность, то есть на возможность использовать металл, подвергаемый суровым воздействиям. Однако в этом механическом свойстве есть и скрытая угроза – чрезмерно твёрдый прокат может иметь низкую усталостную стойкость. Говоря о том, какими свойствами он должен обладать, нужно понимать также: невосприимчивость к истиранию, абразивным воздействиям может обернуться растрескиванием. Особенно часто это случается у металлов при знакопеременной нагрузке. Кроме того, высокая твёрдость неизменно оборачивается усилением хрупкости. Значения этих основных параметров должны быть чётко сбалансированы. Иначе практических свойств металла окажется недостаточно для выполнения поставленной задачи.

Для строительных целей твёрдость должна быть строго ограничена. Приветствуется использование таких металлов, которые могут быть:

• сварены;
• изогнуты;
• сформованы без возникновения трещин.

Эти требования применяют при оценке свойств металла конструкционной категории. К промежуточным и среднеуглеродистым сталям они не относятся. Характеризуя поведение сплавов, подвергающихся усиленному действию внешних сил, нужно отметить, что они должны быть прочны, но ещё пластичны.

Если твёрдость достаточно большая, поверхностные повреждения будут встречаться реже и окажутся менее выражены. Для случаев, когда актуальна особая износостойкость, твёрдость должна быть не менее 200–300 HB, только в этом случае гарантировано сохранение геометрической формы, базовых технических параметров.

Если повысить твёрдость более чем до 30 единиц по шкале HRC, возникает чрезмерная хрупкость. Такие сплавы малопригодны для зон, подвергаемых динамической нагрузке. Способности металла к свариванию тоже будут необратимо ухудшены. Наиболее перспективно, если такое свойство металла находится в пределах 15–25 баллов по системе HRC. Тогда он может спокойно применяться в любой строительной сфере и в большинстве машиностроительных операций. Учтите, что индекс твёрдости по HRC может использоваться только после закаливания проката. Пока заготовку не закалили, эта шкала неприменима и может дать ошибочный результат. Если общих свойств металлов в прочностном плане недостаточно, может выручить поверхностное упрочнение – оно не меняет характеристики основной массы вещества.

Применение металлов в кораблестроении зависит от «механики» не в меньшей степени. Однако тут уже упор делают на иные параметры металлов:

• структурную прочность;
• вязкостные характеристики;
• низкотемпературную стабильность.

Как и в строительной отрасли, степень долговечности металлов определяется грамотно выстроенным балансом между прочностью и пластичностью. Однако про твёрдость в чистом виде инженеры-кораблестроители тоже не забывают. Она играет важную роль как вспомогательный индикатор. Сверхпрочные образцы обычно считают перекалёнными, что сразу ухудшает их технологические характеристики.

Основными критериями отбора служат всё же сами твёрдостные показатели. Именно твёрдость легко измерить и классифицировать. Её точные измерения сразу покажут оценщикам, насколько высок риск деформации в конкретном случае. Проверку ведут на соответствие требования стандартов ASTM A131,ABS, DNV.

Говоря о том, что влияет на твёрдость аустенитной стали в первую очередь, следует обратить внимание на соотношение минеральных фаз. Увеличение доли феррита помогает увеличить показатели твёрдости, если же слишком сдвинута пропорция в пользу аустенита, материал становится чрезмерно мягким. Углерод, растворяясь в аустените, наоборот, повышает твёрдость образца. Похожим образом действует и азот, который тоже растворяется в компоненте, улучшающем механические качества.

Какими должны быть приёмы, чтобы сделать аустенитную сталь твёрже, тоже важно знать. Термическая закалка аустенита невозможна, но зато может подойти поверхностный наклёп. Он помогает сформировать:

• твиннинги;
• дислокации;
• насыщенные мартенситом участки.

Для повышенной стабильности феррита (то есть увеличения твёрдости производимого металлургического продукта) можно, наряду с хромом, добавлять при плавке молибден или ниобий. Если же металлурги введут марганец, никель или азот, то с тв ёрдостью дела будут обстоять хуже из-за повышенной консервации аустенита – зато иные характеристики улучшатся.

У типичной нержавеющей стали стойкость по Бринеллю не превышает 190 единиц. Это очень немного, но для повседневных нужд достаточно. Проблемы могут возникнуть, когда изготавливают сложные механизмы, промышленную аппаратуру. Считать такие проявления недостатком нельзя, поскольку относительная мягкость полностью компенсирована повышенной гибкостью и лёгкостью подготовки необходимого контура. Даже невозможность термозакалки сглаживается простотой легирования, дополнительной обработки.

Нарастив твёрдость сверх меры, можно затруднить формовку, штамповку, ковку. Зачастую при этом металлообработка становится даже экономически невыгодна. Растёт износ обрабатывающих инструментов, а в холодных условиях сильно выросшая твёрдость даже может помешать получению нужного результата вообще. Для особо твёрдого сплава характерны и иные проблемы. Например, могут возникать:

• морщины;
• трещины;
• прорывы.

Оптимальная твёрдость штамповых сталей — 47–50 HRC (~450–500 HB). Если она выдержана в этих пределах, формовка будет идти долго, а растрескивание и возникновение иных дефектов очень маловероятно.

Чтобы добиться заданного уровня твёрдости, не подрывая одновременно пластические качества материала, подходят особые приёмы воздействия. Среди них выделяют горячее деформирование и термомеханическое упрочнение поверхности. Такое изменение твёрдости в безопасном формате достижимо за счёт рекристаллизации металлической структуры.

Инструментальные соединения отличаются от предназначенных для стандартной штамповки. Для быстрорежущих разновидностей индекс HRC должен составлять 62–70 единиц. Для холоднодеформируемых он окажется более узким (62–65). Если материал предназначен для горячей деформационной обработки, он менее твёрдый (48–65). Уровень 56-64 подходит для напильников, пил по дереву и тому подобных инструментов.

Чтобы достоверно установить уровень твёрдости, нужно выбирать шкалу, по которой будет производиться измерение. Говоря о металлах с наилучшими характеристиками, уже затрагивали шкалы Бринелля и Роквелла. Стоит учесть, что первый вариант подойдёт для крупных заготовок, отличающихся монолитной структурой и однородной сравнительно поверхностью. Чтобы не пропустить воздействия, способные резко понизить способности металлов переносить приложенное усилие, тонкие образцы следует тестировать по Роквеллу.

Чтобы достоверно установить уровень твёрдости, проявляющийся в:

• малых зонах;
• швах;
• металлических покрытиях – нужна шкала Виккерса.

Если при этом ещё и неоднородна структура, применяют модифицированную версию системы Виккерса – так называемый Кнооп. Подобный метод подразумевает работу с вытянутым отпечатком.

Согласно стандарту, уровень твёрдости может быть также измерен безотрывным динамическим методом. Методика Шора рекомендована для обследования свойств больших монолитных конструкций. Даже если предмет неразборный, определить показатели твёрдости не составит труда. Метод работает в любых климатических условиях, подходит для обследования в мобильном варианте. Однако говорить о свойствах чётко можно будет в этом случае лишь при условии гладкой поверхности. Малейшая шероховатость сразу понизит адекватность исследования по шкале Шора.

Нельзя забывать, что показатели твёрдости при переохлаждении могут существенно сокращаться. И, как и при чрезмерном нагреве не все конструкции теряют уровень твёрдости одинаково быстро. Повлиять на состояние сплава может переход остатков аустенита в мартенсит. Такое преобразование химическое пойдёт тем интенсивнее, если в числе свойств конкретной марки металла есть сохранение большой доли аустенита после закаливания.

Что ещё надо знать про показатели твёрдости

Такими свойствами можно управлять, влияя на осаждение тонкодисперсных карбидов. Так как они препятствуют передвижению дислокаций, материал становится только прочнее.

У продуктов цветной металлургии ситуация иная. Чаще всего применяемые в авиастроении сплавы алюминия содержат магний. Такая добавка работает примерно аналогично углероду в составе стальных конструкций. Парадоксально, но среди нежелательных примесей, из-за которых снижаются показатели твёрдости, выделяют железо. Дело в том, что оно чужеродно для структуры алюминия и меди, нарушает нормальное устройство кристаллической решётки.

Специалисты, занимающиеся твёрдостью, на одно из ключевых мест ставят состояние микроструктуры. Для алюминиевых, медных соединений это не менее важно, чем для чугуна или стали. Алюминий, кстати, тоже может быть закалён. Для дополнительного увеличения твёрдости рекомендованы:

• ковка;
• штамповка;
• прокатка.

Контролировать способность металлов не разрушаться позволит формирование карбидов и интерметаллидов. Благодаря добавке титана, например, часто удаётся повысить способности металла цветных категорий пережить взрывное разрушение. При проверке свойств нельзя забывать про труднопредсказуемое поведение во время переохлаждения. Одни соединения становятся крепче, у других уровень механических характеристик заметно снижается на морозе. Также при повышенной влажности металл, даже цветной, начинает деградировать.

Даже измерив ту же ударную вязкость при комнатных условиях, нельзя считать, что она такой останется всегда. Во многих случаях рекомендуют нормализацию, а не отжиг или закалку. Такой режим обработки позволяет добиться «золотой середины» и исключить нежелательные аномалии.

Среди бронз особо сильными считаются бериллиевые. Они могут достичь уровня 60 и даже 65 баллов по системе HRC. Высокая жёсткость обусловлена модулем упругости, составляющим от 10 до 14 тысяч мегапаскалей. Упрочнить бронзу позволят:

• олово;
• бериллий;
• цинк (косвенно, через коррозионную стабильность).

Вязкостные параметры и не только

Выясняя, каким сплавам отдать предпочтение, оценивайте внимательно их вязкость во время нагрузок. Именно её технологи признают особо важным свойством.

Также к числу значимых моментов относятся предел текучести и прочности. Наиболее важными свойствами они будут для:

• мостов;
• опор;
• несущих конструкций зданий.

Надо помнить, что способности металлов могут варьироваться не только от химической природы, но и от методов обработки. О таком свойстве, как сопротивляемость упругой и пластической деформации под давлением нагрузок, всегда следует думать, когда используют металлы для:

• авиации;
• автомашин;
• строительных конструкций;
• лабораторной техники.

Среди свойств стоит ещё выделить поведение при изгибе и кручении. Непременно следует обратить внимание и на механическую утомляемость. Эти показатели исключительно значимы для вооружений и военной техники, а также для охотничьего, спортивного оружия всех типов. Как и ударная вязкость, эти моменты прямо влияют на пригодность к эксплуатации. Индекс ударной вязкости показывает стойкость не только к ударам – это ещё и сопротивление вибрациям. Поэтому его измеряют, когда отбирают металл для:

• лифтов;
• станков;
• электроинструмента;
• буровых машин.

Конечно, это требование действует и по отношению к любым металлам, применяемым для сборки летательных аппаратов. И даже – к металлам, которые войдут в состав автомобиля, тепловоза, трамвайного вагона.

Усталость накапливается с первых минут после выпуска, даже когда никакое внешнее усилие ещё не приложено. На раннем этапе, когда инициируется трещина, в глубоких или поверхностных слоях копятся напряжения. Они постепенно начинают превосходить защитные силы металлоконструкции, и тогда начинают микроразрывы. Далее эти разрывы начинают расширяться и захватывают всё большую площадь. Соединяясь и становясь всё крупнее, они уже будут разрушать материал в видимых масштабах. Обычно, чем пластичнее вещество, тем труднее его «утомить», вызвать хорошо заметные невооружённым глазом дефекты. Если импульсы поступают циклически, как в отбойных молотках, поршнях или дверных доводчиках, противостоять упругому деформированию становится ценнее, чем поглощать энергию соударения.

Когда в лаборатории измеряется ударная вязкость, часто применяют методику Шарпи. Для проведения теста с металлом изготавливают образец в виде латинской буквы V. Иногда, впрочем, эту способность металла можно определить и при помощи иного разреза. Окончательное решение принимают сами лаборанты и руководители экспертизы, отталкиваясь от того, каким образом нужно охарактеризовать способность металла сохранять заданные изначально формы. Степень ответственности измерений тоже, конечно, будет учтена.

Чтобы точнее узнать, какова ударная вязкость образца, можно ещё провести испытание Изода. Отличие от Шарпи состоит в том, что образец располагают иначе и воздействие на металлы происходит сверху, после того как тестируемую заготовку поставят строго по вертикали. Существует целый ряд тонкостей.

• Чтобы металл, в том числе предназначенный для изготовления метизов, точно не подвёл, его тестируют даже при пониженных температурах.
• Один из тестов как минимум должен показать, что произойдёт в металле, когда он остынет до – 80 градусов.
• Максимально точно покажет характеристики (способность металла уцелеть в такой обстановке) маятниковый копёр.
• Кинетическую энергию делят на площадь обрабатываемой поверхности, что помогает выяснить удельное значение воздействующей на металл энергии.

Метод Изода рекомендуют при ситуациях, когда простота тестирования важнее его точности. В реальных условиях промышленной эксплуатации при ударном импульсе характер воздействия будет заметно отличаться. Поэтому методика Изода имеет только вспомогательное значение для наименее ответственного оборудования и конструкций.

Для изготовления транспортных и энергетических машин надо брать металл, который точно не будет подвержен деформации при проектных условиях. Поэтому набор тестов, в том числе на ударную вязкость или способность сопротивляться внешним воздействиям, подбирают строго индивидуально. Хотя максимально точно определить способность металла по стандарту, регламентирующему проведение подобных проверок, проще всего.

Ударную вязкость можно охарактеризовать и как стойкость к хрупкому разрушению. Сходство основано на том, что за обоими показателями сокрыт единый физический механизм – сопротивляемость образованию трещин в толще материала. Также оба параметра чётко взаимосвязаны с пластичностью: чем гибче вещь, тем она проще переживает грубое воздействие. Но прямая корреляция может нарушаться, если изначальная структура искажается. При различных температурах и видах разрушительных импульсов взаимосвязь тоже может выглядеть неоднозначной.

Разберём реальные примеры

Принципиальные требования к металлу, используемому при выпуске профнастила. Текучесть в металлах сейчас должна составить 220–320 МПа, именно при таком усилии развивается пластическая деформация. Естественно, читая про подобную способность металла в описании, надо сразу уточнять, что имеется в виду. Некоторые производители могут указывать только тот уровень, при котором изменение контуров не происходит резко. В норме цифра должна обозначать стойкость к длительной загрузке:

• дождём;
• снегом;
• льдом;
• ветром.

Чтобы даже мощным ударным воздействием настил не повредило, он должен иметь заданные прочностные показатели в плане стабильности. Относительное удлинение обычно составляет не более 20–30%. Более высокий уровень просто не нужен, да и добиться его при достигнутом уровне технологии почти невозможно. Этот показатель иллюстрирует, насколько материал сможет стойко переносить холодную формовку и создание волн.

Металл, отпускаемый для производства арматуры, обычно имеет ещё меньшее относительное удлинение, не более 10–20%. Если технологи воспользовались гибкими металлами, этот минимальный показатель может вырасти до 14%. Модуль упругости подбирают таким образом, чтобы взаимодействие с бетоном шло более продуктивно. Очень важно, даже для умеренно тёплых регионов, подтвердить, что способности переживать хрупкое разрушение не станут хуже в холодную погоду.

Главные критерии, которым должен соответствовать металл, используемый при производстве отопительных радиаторов, это пригодность для лёгкого формирования и штамповки. Нормированные прочностные показатели должны по умолчанию сохраняться при нагреве до 110 градусов. В отдельных моделях предельный контролируемый нагрев составляет 135 градусов.