Механические испытания: металлы, сварные соединения, покрытия

В.В. Овчинников,  М.А. Гуреева

МЕХАНИЧЕСКИЕ ИСПЫТАНИЯ:

МЕТАЛЛЫ, СВАРНЫЕ

СОЕДИНЕНИЯ, ПОКРЫТИЯ

Рекомендовано федеральным государственным учреждением

«Федеральный институт развития образования» в качестве учебника
для использования в учебном процессе образовательных учреждений,

реализующих программы среднего профессионального образования

МОСКВА

ИД «ФОРУМ» — ИНФРА-М

2020

Овчинников В.В.

Механические испытания: металлы, сварные соединения, 

покрытия: учебник / В.В. Овчинников, М.А. Гуреева. — 
Москва: ИД «ФОРУМ»: ИНФРА-М, 2020. — 272 с. — 
(Профессиональное образование).

ISBN 978-5-8199-0619-4 (ИД «ФОРУМ»)
ISBN 978-5-16-010483-6 (ИНФРА-М, print)
ISBN 978-5-16-102491-1 (ИНФРА-М, online)
В учебнике изложены основные методы испытаний машиностроительных 

материалов и изделий на твердость, микротвердость, ударную вязкость, 
растяжение, сжатие, изгиб и кручение; приведены данные об испытании металлов 
и сплавов при длительных статических нагрузках, на усталость, выносливость и 
износ. Рассмотрены особенности механических испытаний сварных соединений 
и газотермических покрытий. Изложены сведения об устройстве и принципе 
действия машин и приборов, используемых для этих испытаний.

Для студентов учреждений среднего профессионального образования по 

специальностям материаловедение, литье, сварка и обработка металлов 
давлением, а также для бакалавров по отмеченным направлениям обучения.

УДК 621.791(075.32)(03)
ББК 30.61(я723)92

О35

УДК 621.791(075.32)(03)
ББК 30.61(я723)92
 
О35

Р е ц е н з е н т ы:

доктор технических наук, старший научный сотрудник 

ОАО «НПО «ЦНИИТМАШ» С.И. Феклистов;

доктор технических наук, профессор ФГБОУ ВПО «МГИУ» В.Ф. Савельев

ISBN 978-5-8199-0619-4 (ИД «ФОРУМ») 
© В.В. Овчинников, 2015

ISBN 978-5-16-010483-6 (ИНФРА-М, print) 
© М.А. Гуреева, 2015

ISBN 978-5-16-102491-1 (ИНФРА-М, online) 
© ИД «ФОРУМ», 2015

Овчинников Виктор Васильевич

Гуреева Марина Алексеевна

МЕХАНИЧЕСКИЕ ИСПЫТАНИЯ:

МЕТАЛЛЫ, СВАРНЫЕ СОЕДИНЕНИЯ, ПОКРЫТИЯ

Редактор Н.Н. Морозова

Оформление серии Т.В. Иваншиной

Подписано в печать 18.12.2014. Формат 60×90/16.

Печать офсетная. Гарнитура «Таймс». Усл. печ. л. 17,0. Уч.-изд. л. 17,5.

Бумага офсетная. ПТ10.

ООО «Издательский Дом «ФОРУМ»

101990, Москва — Центр, Колпачный пер., д. 9а

Тел./факс: (495) 625-39-27   E-mail: forum-books@mail.ru

ООО «Научно-издательский центр ИНФРА-М»

127282, Москва, Полярная ул., д. 31В, стр. 1

Тел.: (495) 280-15-96, 280-33-86

Факс: (495) 280-36-29   E-mail: books@infra-m.ru   http://www.infra-m.ru

Издание не подлежит маркировке
в соответствии с п. 1 ч. 4 ст. 11

ФЗ

№ 436-ФЗ

ВВЕДЕНИЕ

Машиностроение — комплекс отраслей тяжелой промышленности, изготовляющих средства производства, продукцию оборонного значения, а также предметы потребления. От уровня развития 
машиностроения зависит производительность труда и качество 
продукции, выпускаемой многими отраслями промышленности.
Современное производство вообще и машиностроение в частности предъявляет быстрорастущие требования к механической 
надежности конструкций, машин, механизмов и деталей машин, 
работающих в условиях высокого вакуума, низких и высоких температур, агрессивных сред, высокой радиации и пр., к свойствам и 
качеству материалов для их изготовления.
Из различных и многообразных свойств металлов — основных 
материалов, используемых в машиностроении, важнейшими являются механические свойства, а следовательно, все большее значение приобретает и определение механических свойств.
Опыт применения материалов в машиностроении показывает, 
что поведение их в конструкции зависит от целого ряда внешних 
условий — скорости и способа приложения нагрузки, температуры, формы изделия, структуры и т. д. Для определения возможного 
поведения материала в условиях эксплуатации детали или образцы 
необходимо предварительно подвергнуть испытанию. При определении механических свойств стремятся имитировать условия, 
близкие к условиям эксплуатации.
Большое значение для исследования свойств металлов имеют 
работы Н.Н. Давиденкова (теория ударной вязкости, изучение 
внутренних напряжений), А.А. Ильюшина (теория пластичности), 
И.А. Одинга (теория ползучести, выбор допускаемых напряжений), Г.И. Погодина-Алексеева (свойства металлов при ударном 
нагружении), С.В. Серенсена (изучение и пути повышения сопротивления усталости), Я.Б. Фридмана (теория разрушения металлов 
путем отрыва и среза), Н.А. Шапошникова (механические испытания металлов).
Для выпуска высококачественной продукции особое значение 
приобретает изучение свойств промышленных металлических материалов, разработка и внедрение новых высокопрочных и технологичных сплавов, применение новейших методов их контроля и 
исследования. Одним из методов контроля качества является метод определения механических свойств металлов и сварных соединений.

Введение

На предприятиях имеются специальные лаборатории для определения механических свойств металлов и других материалов.
При массовом производстве на крупных современных предприятиях в автоматические линии термических и кузнечных цехов 
встраиваются приборы для измерения и контроля твердости. Это 
способствует повышению производительности труда, а также обеспечению надежности и долговечности выпускаемых изделий.

Г л а в а  1

ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ О ДЕФОРМАЦИИ

1.1. Напряжения и деформации

В процессе работы изделия и сооружения подвергаются различным силовым воздействиям (нагрузкам). Нагрузки различаются по величине, характеру приложения к телу, изменений во времени и направлений действия.
По характеру изменения во времени нагрузки могут быть статическими, динамическими и повторно-переменными:
статическая нагрузка — это однократно приложенная на• 
грузка, плавно и относительно медленно возрастающая от 
нуля до своей максимальной величины. Статические нагрузки подразделяют на постоянные и временные; последние 
могут быть подвижными и неподвижными (например, вес 
стеллажей и бункеров в складских помещениях);
динамическая (ударная) — однократно приложенная нагруз• 
ка, действующая на материал резко и с большой скоростью 
возрастающая от нуля до своей максимальной величины;
повторно-переменная — нагрузка, многократно приклады• 
ваемая к материалу. При этом скорости возрастания и убывания нагрузки могут быть различные.
По направлению действия различаются растягивающие, сжимающие, изгибающие, скручивающие и срезывающие нагрузки.
Растягивающими являются равные по величине нагрузки, приложенные к центрам тяжести концевых сечений прямолинейного 
бруса и направленные в противоположные друг от друга стороны 
вдоль главной оси бруса (рис. 1.1, б).
При прямо противоположном направлении сил Р нагрузки являются сжимающими (рис. 1.1, а).
Изгибающие нагрузки действуют перпендикулярно оси ОО 
в плоскости симметрии прямолинейного бруса (рис. 1.1, д). Изгиб 
возникает также, если брус находится под действием двух пар сил, 
расположенных в плоскости его продольной оси (рис. 1.1, е).
Скручивающие нагрузки — пара сил, т. е. две равные по абсолютному значению и противоположные по направлению параллельные силы, действующие в плоскостях поперечных сечений 
стержня (рис. 1.1, в).

Глава 1.  Основные понятия о деформации

Срезывающие — это нагрузки, вызывающие скольжение 
(сдвиг) одних частей материала относительно других в плоскости 
сечения (рис. 1.1, г).
По характеру приложения к телу нагрузки бывают сосредоточенные и распределенные, а также объемные — распределенные 
по объему (объемный вес) и поверхностные — распределенные по 
поверхности или по заданной линии — линейно распределенные.
Сосредоточенные нагрузки прилагаются к очень малой площадке (точке).
Распределенные нагрузки прилагаются ко всей поверхности 
или ее части. Распределенная нагрузка постоянной интенсивности 
называется равномерно распределенной, а нагрузка, точки приложения которой заполняют всю площадь, — сплошной нагрузкой.
Под влиянием внешних воздействий (нагрузок, изменения 
температуры и др.) и различных внутренних физико-механических 

P

P

P

P

P

P

P

б)

в)

г)

д)

e)

a)

M

M
M

О
О

Сжатие

Растяжение

Кручение

Срез

Изгиб

Рис. 1.1. Схема действия сжимающих (а), растягивающих (б), скручивающих 
(в), срезывающих (г) и изгибающих (д, е) нагрузок

 
1.1. Напряжения и деформации 
7

процессов в теле возникают внутренние механические силы (внутренние силы упругости). Внутренние силы, возникающие между 
частицами тела, оказывают сопротивление деформации.
Величины внутренних сил упругости, действующих в изделиях, измеряются напряжениями. Эти напряжения зависят от величины приложенных к телу сил (чем больше приложенные силы, 
тем больше возникающие напряжения) и от размеров тела (чем 
больше поперечное сечение тела, тем меньшее напряжение в нем 
возникает при приложении сил той же величины).
Таким образом, напряжение — это величина внутренних сил упругости, отнесенная к единице площади поперечного сечения тела.
Напряжения могут быть нормальными и касательными (рис. 1.2).
Сила Р, приложенная к некоторой площадке dF, обычно 
не перпендикулярна к ней, а направлена под некоторым углом α, 
поэтому в теле возникают нормальные и касательные напряжения.
Если напряжение действует перпендикулярно плоскости сечения 
тела, то оно называется нормальным и обозначается буквой σ. Напряжение, действующее в плоскости сечения тела, называется касательным и обозначается буквой τ. В зависимости от вида деформаций 
к этим буквам добавляют индексы: р — при растяжении, с — при сжатии, ср — при срезе или сдвиге, к — при кручении, и — при изгибе.
Для определения внутренних сил упругости по внешним силам 
применяют метод сечений, сущность которого состоит в том, что 
к брусу, находящемуся в равновесии, прилагаются некоторые внешние силы.
На рис. 1.3 показано определение внутренних сил методом сечений. На брус действуют растягивающие силы Р (рис. 1.3, а). Если 
брус мысленно рассечь плоскостью, перпендикулярной к его оси, 
и отбросить любую из его частей (рис. 1.3, 
б, в), то равновесие одной из частей сохранится только в случае приложения к 
ней внутренних сил N, заменяющих 
действие отброшенной части (рис. 1.3, г).
Затем, составляя и решая уравнения 
равновесия для сил, приложенных к оставшейся части, определяют искомые 
внутренние силы.

N

α

dF

Полное
напряжение

T
С

σ

τ

Рис. 1.2. Схема разложения напряжений на 
касательную и нормальную составляющие

Глава 1.  Основные понятия о деформации

В простейшем случае одноосного растяжения напряжения вычисляют по формуле
σ = P/F0,

где Р — сила, Н; F0 — начальная площадь 
поперечного сечения, м2; σ — напряжение, 
МПа.
Действительными (рабочими) напряжениями считаются те, которые фактически будут иметь место.
Предельно опасные напряжения возникают, когда внутренние 
силы (силы молекулярного противодействия) достигли такой величины, при которой нарушается работоспособность детали в силу 
появления необратимых пластических деформаций (для пластичных металлов) либо разрушения (для хрупких металлов).
Допускаемые напряжения — это напряжения, обеспечивающие нормальную и безопасную работу изделий и конструкций, они 
в несколько раз меньше предельно опасных напряжений и характеризуются нормативным коэффициентом запаса прочности [n].
Таким образом, прочность любой детали обеспечена, если 
действительные напряжения меньше или равны допускаемым напряжениям.
Различают напряжения, возникающие под действием внешней 
нагрузки и исчезающие после ее снятия, и внутренние напряжения, возникающие и уравновешивающиеся в пределах данного 
тела без действия внешней нагрузки.
Образование внутренних напряжений связано в основном 
с неоднородным распределением деформаций по объему тела. Тепловые внутренние напряжения возникают в процессе быстрого нагрева или охлаждения металла из-за неодинакового расширения 
(сжатия) поверхностных и внутренних слоев, фазовые или структурные — в процессе кристаллизации, при неравномерной деформации, термической обработке вследствие структурных превращений по объему и т. д.
Приложенные к телу внешние силы вызывают деформацию —  
изменение формы и размеров тела (или части тела) под дейст вием 

б)

в)

г)

a)

P

P
P

P

P

N

P

Рис. 1.3. Определение внутренних сил методом 
сечений

 
1.1. Напряжения и деформации 
9

внешних сил, при изменении температуры, влажности, фазовых 
превращениях и других воздействиях, вызывающих изменение положения частиц тела.
На появление того или иного вида деформации большое влияние оказывает характер приложенных к телу напряжений. Одни 
процессы деформации связаны с преобладающим действием касательной составляющей напряжения, другие — с действием его нормальной составляющей (см. рис. 1.2).
В твердых телах различают два основных вида деформаций — 
упругую и пластическую, физическая сущность которых различна.
Упругая (обратимая) деформация тела полностью устраняется 
после прекращения дейст вия вызвавших ее сил (нагрузок), так как 
под действием приложенных сил происходит только незначительное смещение атомов или поворот блоков кристалла. При смещении атомов из положения равновесия нарушается баланс сил притяжения и электростатического отталкивания. Поэтому после снятия 
нагрузки межатомные расстояния a и c восстанавливаются, смещенные атомы под действием сил притяжения или отталкивания возвращаются в исходное равновесное состояние, кристаллы приобретают свою первоначальную форму и размеры (рис. 1.4, а, б).
Процесс деформации под действием постепенно возрастающей нагрузки складывается из трех последовательно накладывающихся одна на другую стадий (рис. 1.5).
Даже незначительное по величине приложенное напряжение 
вызывает упругую деформацию и в чистом виде наблюдается только при напряжениях до точки А. Упругая деформация характеризуется прямо пропорциональной зависимостью от напряжения и упругим изменением размеров межатомных расстояний.
При некоторых значениях напряжений (выше точки А) начинается пластическая деформация в отдельных зернах металла.
Дальнейшее увеличение напряжений вызывает увеличение упругой и пластической (остаточной) деформации (участок АВ упругопластических деформаций).
При достижении напряжениями так называемого предела, или 
порога, упругости (около точки А) деформация становится необратимой. При снятии нагрузки устраняется лишь упругая составляющая деформации. Пластическая часть деформации остается.
Пластическая (остаточная, необратимая) деформация, остающаяся после снятия нагрузки, связана с перемещением атомов 
внутри кристаллов на относительно большие расстояния и вызывает остаточные изменения формы, структуры и свойств без мак

Глава 1.  Основные понятия о деформации

роскопических нарушений сплошности металла (рис. 1.6). Пластическая деформация в кристаллах может осуществляться скольжением и двойникованием.

Зона
упругопластических
деформаций

Зона упругих
деформаций

Конец
разрушения

Начало массовых пластических
деформаций

Деформация

Зона разрушения
Начало разрушения

Начало пластических деформаций
в отдельных зернах

Сила

А

В

С

б)

a)
в)

c = a

c > a
P

P

c

c

a
a

Плоскость
отрыва

Рис. 1.4. Схематическое изображение действия нормальных растягивающих 
напряжений на кристаллическую решетку:

а — ненапряженный кристалл; б — упругие нормальные напряжения; в —разрушение путем отрыва

Рис. 1.5. Схема процесса деформации металла