Механические свойства материалов

К основным методам технических испытаний механических свойств материалов, применяемых в промышленности, относят испы­тания на прочность, пластичность, твердость. Эти испытания про­водят при статическом воздействии на материал, т. е. при длитель­но действующих внешних нагрузках.

Испытания материалов на ударную вязкость, на устойчивость к вибрациям проводят при динамическом воздействии на материал, т. е. при кратковременных нагрузках, возникающих при вибрациях, ударах.

Прочность — это способность материала сопротивляться дей­ствию внешних сил, не разрушаясь. Прочность определяют с по­мощью статического воздействия (растяжения) материала на спе­циальных испытательных установках, называемых разрывными машинами.

Для испытания на растяжение из материала изготавливают об­разцы в виде круглых стержней или пластин строго установленных размеров (рис. 2.1).

Образцы головками закрепляют в зажимах разрывной машины. При приложении к образцу растягивающей нагрузки F на самопи­шущем приборе машины вычерчивается кривая увеличения растя­гивающего усилия F и удлинения образца ∆l в результате его де­формации растягивающей нагрузкой. Получается диаграмма рас­тяжения (рис. 2.2); на ней можно отметить несколько характерных точек.

На участке ОА удлинение образца прямо пропорционально на­грузке. На участке ОВ деформация образца носит упругий характер (упругая деформация), т. е. после снятия нагрузки образец прини­мает свои прежние размеры. Точка Т на диаграмме соответствует наименьшей нагрузке, при которой образец удлиняется без дальнейшего увеличения нагрузки; материал как бы течет. Это явление на­зывают пластическим (холод­ным) течением материала.

Текучесть характерна для некоторых металлов и сплавов. Так значение σ_т для свинца составляет 5—10 МПа, для медно-цинковых сплавов — 40—50 МПа. Из диэлектрических материалов текучесть характерна для термопластичных пластмасс, фторопласта. Пласти­ческое течение - нежелательное явление, особенно, если деталь прибора по условиям эксплуатации должна длительное время со­хранять без изменений свою форму и размеры.

Наибольшая нагрузка F_д, которую может выдержать образец, соответствует точке Д на диаграмме растяжения.

Рис. 2.2 Диаграмма растяжения мягкой стали

Пределом прочности при растяжении σ_р (измеряемым в Па) на­зывают напряжение, соответствующее наибольшей нагрузке F_д, предшествующей разрушению образца:

                                      (2.2)

Дальнейшая деформация образца сосредоточивается на участке наименьшего сопротивления (шейке), по которому происходит раз­рушение образца при нагрузке Fk.

Предел прочности при растяжении является важным парамет­ром материала. Его значения для проводниковых материалов со­ставляют: для меди - до 400 МПа, для алюминия – 90-180 МПа; для магнитного материала - электротехнической стали Э11 - 400 МПа; для диэлектрических материалов: фторопласта-4 – 20-25 МПа, полиэтилена – 7-33 МПа, стеклотекстолита - до 400 МПа.

Пластичность - это свойство материала деформироваться без разрушения под действием внешних сил и сохранять новую фор­му после прекращения действия этих сил. Для количественной оцен­ки пластичности электрорадиоматериалов используют параметры: относительное удлинение образца ∆l/l и относительное сужение площади поперечного сечения образца ψ.

Относительным удлинением называют отношение аб­солютного удлинения образца к его первоначальной расчетной длине l0, выраженное в процентах:

                                       (2.3)

где l_Р - длина образца после разрыва.

Относительным сужением называют отношение абсо­лютного сужения площади поперечного сечения образца после раз­рыва к его первоначальной площади поперечного сечения:

                                (2.4)

где S_p - площадь поперечного сечения образца после разрыва.

У пластичных материалов значения ∆l/l и ψ достигают несколь­ких десятков процентов. Например, у металлов они в среднем со­ставляют: у меди - ∆l/l≈40%, ψ≈75%; у алюминия ∆l/l≈40%, ψ≈85%/ Однако для некоторых пластичных диэлектрических мате­риалов значения ∆l/l еще выше и составляют для синтетических пленок 80-150%, для кабельных резин 250-300%, для полиамид­ных смол 150-400%.

Многим материалам свойственна хрупкость, т. е. они легко разрушаются при приложении резкого динамического усилия, хотя большие статические нагрузки выдерживают. У таких хрупких ма­териалов, как стекло, керамика, фарфор, явление пластической де­формации не наблюдается, т. е. образец разрушается при σ_т=σ_р. Для хрупких материалов характерно, что величины относительного удлинения и относительного сужения близки к нулю. К числу хрупких материалов относят и некоторые металлы, например хром, мар­ганец, кобальт, вольфрам.

Вязкость – это способность материала оказывать сопротивле­ние динамическим (быстровозрастающим) нагрузкам.

Ударная вязкость ω_уд (в Дж/м²) — это энергия, затраченная на ударный излом образца, отнесенная к площади его поперечного се­чения S в месте подреза:

                                             (2.6)г

Ударная вязкость хрупких материалов невелика. Например, для кварцевого стекла она составляет всего 0,85-1,0 кДж/м², для ра-диотехнической стеатитовой керамики - 2,8-4 кДж/м².

Твердостью называют способность материала сопротивлять­ся внедрению в него другого, более твердого материала. Испыта­ния на твердость являются самыми распространенными из всех ви­дов механических испытаний.

Существуют различные методы определения твердости — вдав­ливанием, царапанием, упругой отдачей. Наибольшее распростра­нение получил метод вдавливания, в частности его разновидности: вдавливание в материал стального шарика вдавливание в матери­ал алмазной пирамиды.

Однако испытания на твердость этим способом имеют ряд не­достатков:

а) нельзя испытывать материалы, твердость которых превышает 450 НВ, при испытании этих материалов возможна деформация стального закаленного шарика и искажение результатов испытаний;

б)  невозможно испытание твердости тонких поверхностных слоев толщиной менее 1-2 мм, поскольку шарик продавливает тонкий слой материала;

в)  после испытания ряд деталей выходит из строя, так как от
вдавливания шарика на детали остаются заметные следы.

Эти недостатки в значительной степени устранены при испы­таниях материалов на твердость вдавливанием алмазной пирамидой. В этом случае в материал при строго определенной нагрузке вдав­ливают четырехгранную алмазную пирамиду с углом при вершине 136º. Таким образом можно определять твердость как мягких, так и очень твердых материалов, испытывать материалы тонкого сече­ния и твердые поверхностные слои, например, после закалки мате­риала. Твердость материала, полученная таким способом, является величиной условной.

Твердость электрорадиоматериалов, применяемых в приборо­строении, колеблется в широких пределах. Например, чистым металлам в отожженном состоянии соответствуют следующие значения твердости: натрий - НВ0,07, свинец - НВ3.9, алюминий - НВ25, медь НВ35, железо - НВ50, вольфрам - НВ202, осмий - НВ400. Для диэлектриков характерны такие значения твердости: полиэти­лен - НВ45-НВ65, винипласт - НВ150-НВ160, полистирол - НВ150-НВ200, органическое стекло - НВ170. Твердость ряда ма­териалов для подвижных контактов приведена в табл. 8.1.

Сплавы и их свойства

Чистые металлы в современной промышленности имеют ограни­ченное применение, поскольку в большинстве случаев они не обла­дают требуемым комплексом электрофизических, магнитных, меха­нических и других свойств. Сплавы металлов получили в технике гораздо более широкое применение. Изменяя состав и способ из­готовления, можно получить сплавы почти с любыми заданными свойствами: например, с высокой механической прочностью в соче­тании с малой плотностью, с высоким удельным электрическим со­противлением, магнитные, немагнитные и т. д.

Металлические сплавы — это кристаллические тела, по­лученные при сплавлении металлов с другими металлами и неме­таллами. Важнейшими электротехническими сплавами являются сплавы меди — бронзы и латуни, сплавы алюминия, магнитные сплавы железа с никелем и кобальтом и др. Составляющие части сплава называют компонентами. Сплавы могут быть двухкомпонентными и многокомпонентными. Обязательным условием образования сплава является получение однородного жидкого рас­твора соединившихся компонентов (рис. 3.1). Например, железо со свинцом или свинец с цинком не образуют сплава, так как в жид­ком виде они не смешиваются и не дают однородного раствора. Но в большинстве случаев входящие в сплав элементы в жидком состоянии полностью растворимы друг в друге, т. е. представляют собой жидкий раствор. При затвердевании сплаву образуют три типа соединений: 1) твердый раствор, 2) химическое соединение, 3) механическое соединение (смесь).

При образовании твердых растворов атомы растворяющегося элемента и атомы растворителя образуют общую кристаллическую пространственную решетку. Растворителем называют тот ме­талл, кристаллическая решетка которого сохраняется при образо­вании твердого раствора. Если два металла, образующие твердый раствор, имеют одинаковые по типу кристаллические решетки, то растворителем называют тот из них, концентрация которого пре­вышает 50 атомных процентов.

Различают два вида твердых растворов: твердые растворы за­мещения и твердые растворы внедрения (рис. 3.2).

В твердых растворах заме­щения атомы растворенного компонента замещают атомы растворителя. Примером рас­твором замещения являются медно-цинковые и медно-кадмиевые сплавы, сплавы крем­ния с германием, железоникелевые сплавы.

При образовании твердых растворов внедрения атомы растворенного элемента разме­щаются между атомами растворителя, например атомы бериллия в кристаллической решетке меди (бериллиевые бронзы), атомы углерода в железе, фосфора в меди и т. д.

Структура твердых растворов видна под микроскопом в виде однородных зерен, подобных зернам чистых металлов.

Химические соединения имеют совершенно новую кристалличе­скую решетку, отличающуюся от кристаллических решеток исход­ных компонентов. Соответственно и физико-химические свойства химических соединении резко отличаются от свойств образующих их компонентов.

Широкое применение химические соединения металлов нашли в производстве высокоомных материалов, диэлектрических материалов для конденсаторов, в полупроводниковом производстве, при изготовлении сверхпроводников.

При образовании механического соединения (смеси) исходные компоненты не растворяются друг в друге в твердом состоянии и не вступают в химическую реакцию. Атомы каждого компонента кри­сталлизуются самостоятельно с образованием собственной кристал­лической решетки. В результате образуется механическая смесь различных кристаллов. Для механических смесей в ряде случаев характерна более низкая температура плавления, чем для их ком­понентов. Это обстоятельство позволяет использовать механические смеси, в частности, при разработке составов припоев. Механические смеси образуют, например, олово с цинком, алюминий с бериллием и т. д.

Сплавыцветных и черных металлов

Сплавы цветных металлов широко используют в современном приборостроении и радиоэлектронике. Они обладают высокой тепло- и электропроводностью, немагнитны, коррозионноустойчивы, хоро­шо обрабатываются резанием и давлением. Наиболее широко при­меняют сплавы на основе меди и алюминия.

Медные сплавы по составу можно разделить на две основные группы: латуни и бронзы.

Латунями называют медные сплавы, в которых основным ле­гирующим элементом является цинк. По сравнению с чистой медью латуни прочнее, пластичнее, хорошо обрабатываются резанием, кроме того, они имеют пониженную стоимость, так как входящий в них цинк значительно дешевле меди.

В обозначениях марок сложных латуней буквы, стоящие после Л (латунь), указывают на наличие легирующих элементов, например: О - олово, Ц - цинк, С - свинец, Ж - железо, Мц - марганец, Н - никель, К - кремний, А - алюминий и т. д. Цифры после букв показывают процентное содержание меди и легирующих добавок. Например, марка ЛС591 расшифровывается так: латунь свинцовая, содержащая в среднем 59% меди и 1% свинца.

Бронзами называют сплавы меди с алюминием, кремнием, оловом и другими элементами, среди которых цинк не является ос­новным легирующим элементом. Бронзы более прочны и коррозионностойки, чем медь. Они лучше обрабатываются резанием, чем латуни. Сочетание высоких упругих свойств, высокой тепло- и элек­тропроводности, коррозионной стойкости с немагнитностью способ­ствуют широкому применению бронз.

Бронзы маркируют буквами Бр, после которых ставят буквы, обозначающие вид легирующих добавок. Цифры, стоящие за буква­ми, указывают в процентах среднее содержание добавки. "Содержа­ние меди в бронзах не указывается. Например, марка БрОЦСО-6-3 обозначает оловянно-цинково-свинцовую бронзу, содержащую около (6% олова, 6% цинка, 3% свинца (остальные 85% меди).

Алюминиевые сплавы широко используют в приборостроении, радоэлектронике, в различных областях техники, где требуется сочетание прочности, легкости и коррозионной стойкости.

Наиболее широко применяемой группой алюминиевых сплавов являются дюралюмны. Это сплавы системы алюминий-медь-магний. Для повышения коррозионной стойкости дополни­тельно вводят марганец. Сплавы этого типа Д1, Д16 имеют в соста­ве кроме алюминия: 3,8-4,8% меди, 0,4-0,8% магния, 0,4-0,8% марганца (Д1) и 3,8-4,8% меди, 1,2-1,8% магния, 0,3-0,9% марганца (Д16). Дюралюмин хорошо формуется в горячем и холод ном состояниях, что позволяет изготовлять из него детали для приборов методом штамповки.

Основными сплавами черных металлов являются железоуглеро­дистые сплавы, которые при содержании углерода менее 2,14% на­зывают сталями, а при большем содержании углерода — чугунами.

Легированной называют сталь, в которую при изготовле­нии дополнительно введены легирующие элементы, резко улучшаю­щие ее свойства: кремний и марганец в большом количестве, а так­же хром, никель, вольфрам, кобальт, ванадий, молибден и др.

В группу легированных входят стали с особыми физическими свойствами: магнитные и немагнитные, стали с высоким электриче­ским сопротивлением и др.