Механические свойства металлов. Часть 2

Москва  2021

М ИНИС ТЕРС ТВО НАУКИ И ВЫСШ ЕГО О Б РА З О ВА Н И Я РФ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ АВТОНОМНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ
ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ
«НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ 
«МИСиС»

ИНСТИТУТ ЭКОТЕХНОЛОГИЙ И ИНЖИНИРИНГА

Кафедра металловедения цветных металлов

МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА  
МЕТАЛЛОВ

Часть 2

Лабораторный практикум

Допущено Федеральным Учебно-методическим 
объединением по укрупненной группе специальностей 
и направлений 22.00.00 «Технологии материалов» в качестве 
учебного пособия при подготовке бакалавров и магистров, 
обучающихся, соответственно, по направлениям 22.03.02 
и 22.04.02 «Металлургия».

№ 4370

УДК 669.017 
 
П82

Р е ц е н з е н т ы : 
доц. Д.А. Подгорный; 
канд. хим. наук, доц., зав. лаб. коррозионных испытаний И.И. Бардин 
(ГНЦ РФ АО ЭНПО «ЦНИИТМАШ»)

К о л л е к т и в  а в т о р о в : 
В.С. Золоторевский, В.К. Портной, А.Н. Солонин,  
А.С. Просвиряков, А.Ю. Чурюмов

П82  
Механические свойства металлов: лаб. практикум / 
В.С. Золоторевский [и др.]. – М. : Изд. Дом НИТУ 
«МИСиС», 2021. – 72 с.
 

Практикум содержит пять лабораторных работ, связанных 
с механическими испытаниями на ударный изгиб, усталостными 
испытаниями, определением вязкости разрушения, построением 
истинных диаграмм деформации при сжатии и анализом поверхностей разрушения металлических материалов. Лабораторные работы направлены на привитие практических навыков проведения 
этих испытаний и анализа полученных результатов.
Предназначен для студентов, обучающихся по направлениям подготовки: бакалавров 22.03.02 «Металлургия», дисциплина 
«Методы исследований свойств металлов и сплавов»; магистров 
22.04.02 «Металлургия», дисциплина «Методы исследования физико-механических свойств материалов».

УДК 669.017 

  Коллектив авторов, 2021
 НИТУ «МИСиС», 2021

Содержание

Предисловие . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
Лабораторная работа 7  
Определение ударной вязкости . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
Лабораторная работа 8  
Усталостные испытания . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
Лабораторная работа 9 
Испытания на вязкость разрушения  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
Лабораторная работа 10 
Построение истинных диаграмм деформации  
по результатам испытания на сжатие  . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
Лабораторная работа 11 
Анализ изломов при различных видах разрушения . . . . . . . 65

ПРЕДИСЛОВИЕ

Настоящий лабораторный практикум является продолжением лабораторного практикума В.С. Золоторевского и др. 
«Механические свойства металлов: статические испытания» 
и предназначен для студентов, обучающихся по направлению 
«Металлургия». Во второй части рассматриваются механические испытания при динамическом и циклических нагружениях, методы определения вязкости разрушения, проводятся 
анализ изломов и построение диаграмм истинных напряжений при сжатии. В результате выполнения лабораторных работ студенты получают практические навыки проведения 
важнейших механических испытаний и учатся анализировать 
результаты этих испытаний. Изменения и дополнения, внесенные в настоящее издание практикума, связаны, главным 
образом, с заменой испытательного оборудования на более современное.

Лабораторная работа 7 
ОПРЕДЕЛЕНИЕ УДАРНОЙ ВЯЗКОСТИ 
(2 часа)

7.1. Цель работы

Целью настоящей работы является знакомство с методикой проведения испытаний на ударный изгиб и сравнительная 
оценка свойств сплавов по ударной вязкости.

7.2. Теоретическая часть

Ударной вязкостью (KC) называется отношение полной работы (K), затраченной на деформацию и разрушение ударным 
изгибом надрезанного образца, к площади его поперечного сечения в месте надреза.
Значительное увеличение скорости деформации при переходе от статических испытаний к ударным вызывает изменение всех свойств сплавов, связанных с пластической деформацией и разрушением. Из многих методов ударных испытаний 
самое широкое практическое применение нашел ударный изгиб надрезанного образца с измерением ударной вязкости. Эта 
характеристика имеет большое значение при оценке качества 
металлов и сплавов и занимает особое положение среди других 
показателей механических свойств. Последнее связано с тем, 
что в условиях сложных напряженных состояний и при динамических нагрузках деталей машин и механизмов во время 
эксплуатации ударная вязкость приобретает значение показателя поведения металлов в конструкциях. С другой стороны, 
ударная вязкость используется в качестве характеристики, 
чувствительной к переходу металлов и сплавов в хрупкое состояние в различных условиях деформации, при которых показатели механических свойств, определяемые статическими 
напряжениями, не изменяются.
Ударная вязкость как характеристика работы, затраченной 
на деформацию и разрушение, может быть определена по площади под кривой нагружения образца с надрезом при ударе 
маятникового копра со скоростью до 7 м/с. Такие динамиче

ские испытания отличаются скоротечностью, так как их продолжительность составляет менее одной секунды. Поэтому 
в случае отсутствия инструментированных методов регистрации кривой «усилие – время» ударную вязкость определяют 
при падении тяжелого маятника известной массы с заданной 
высоты по разности высоты подъема маятника до удара и высоты его взлета после разрушения образца.
Работа деформации и разрушения (вязкость материала), 
определяемая по площади под кривой «усилие – прогиб» или 
«усилие – время», очевидно, тем больше, чем выше сопротивление материала деформированию и разрушению, с одной 
стороны, и чем больше его пластичность, с другой. Несмотря 
на сложность и многогранность деформационного поведения 
металла, можно показать, что определяющими его вязкость 
являются способность к деформационному упрочнению и сопротивление разрушению. Действительно, если рассматривать 
пластичность металла как способность к равномерной деформации, то по мере растяжения или изгиба образец равномерно течет, пока материал способен к деформационному упрочнению. 
В свою очередь, из-за деформационного упрочнения (наклепа) 
деформация продолжается при непрерывном возрастании действующих напряжений, т.е. сопротивления деформации.
Разрушение образца происходит, когда действующие напряжения достигают величины сопротивления отрыву или 
когда деформационное упрочнение перестает предотвращать 
локализацию деформации. Таким образом, пластичность металла, а следовательно, и его вязкость тем выше, чем медленнее он наклепывается, т.е. чем меньше коэффициент деформационного упрочнения при данной скорости деформации и 
уровне сопротивления отрыву, с одной стороны, или чем выше 
сопротивление отрыву, с другой.
Отсюда следует, что ударная вязкость материала (работа 
деформации и разрушения) зависит в первую очередь от того, 
как будут меняться при увеличении скорости испытаний сопротивление разрушению и коэффициент деформационного 
упрочнения.
По Я.Б. Фридману следует различать два вида материалов: 
ударно-хрупкие и ударно-вязкие, в связи с тем, что с повыше

нием скорости деформации со статической к динамической 
сопротивление пластической деформации повышается. Если 
сопротивление разрушению мало меняется с увеличением скорости деформации, то благодаря более интенсивному деформационному упрочнению диаграмма деформации достигнет 
уровня сопротивления разрушению при меньшей пластической деформации, и будет наблюдаться уменьшение вязкости 
(ударно-хрупкие металлы). К этой категории относятся α-Fe, 
Zn, многие сплавы на их основе, хром и его сплавы и др. При 
испытании ударно-хрупких металлов с увеличением скорости 
деформации изменяется вид макроразрушения, т.е. происходит переход от среза к отрыву, при этом пластичность и вязкость значительно, а иногда весьма резко снижаются.
Если сопротивление разрушению растет одновременно с ростом деформации, то, несмотря на более интенсивное упрочнение, абсцисса конечной точки диаграммы деформации 
не уменьшается и пластичность остается неизменной, иногда 
даже увеличивается. Вязкость при этом может значительно 
возрастать вследствие увеличения прочности при неизменной 
пластичности (ударно-вязкие металлы). Такие материалы характеризуются тем, что при малых и больших скоростях деформации их разрушение происходит вязко и не наблюдается переход в хрупкое состояние (алюминий, медь и большая 
часть сплавов на их основе, в том числе дуралюмин, однофазные латуни, бронзы и др.).
Поскольку одной из важнейших задач ударных испытаний 
является выявление склонности материала к хрупкому разрушению, обычно стремятся к такому способу приложения 
нагрузки, при котором растягивающие напряжения и деформации были бы достаточно велики. Поэтому мягкие способы 
нагружения – кручение и в особенности сжатие – мало подходят, и для этой цели применяют растяжение или изгиб.
Изгиб при ударных испытаниях имеет ряд методических 
преимуществ: концентрация напряжений у поверхности образца, более простое и надежное измерение работы и большая простота проведения испытания, особенно при низких 
и высоких температурах. Важным фактором, усиливающим 
склонность металла к переходу в хрупкое состояние, является 

надрез, хотя для испытания хрупких материалов, например 
чугуна, используют и гладкие образцы.
Обычно для определения ударной вязкости применяют образцы в форме призмы квадратного сечения, посредине одной 
из боковых граней которой сделан поперечный надрез. Надрез способствует ужесточению испытаний по двум причинам. 
Во-первых, надрез обеспечивает повышение концентраций 
напряжений, поэтому у основания надреза напряжения в дватри раза превышают номинальные напряжения (рис. 7.1), вычисленные по формуле

 

M
W
σ =
, 
(7.1)

где М – изгибающий момент; 
W – момент сопротивления.

Во-вторых, наличие надреза создает всестороннее, хотя и 
не равномерное, объемное растяжение: на элементарный объем металла, расположенный у основания надреза в средней 
части образца, кроме продольных нормальных напряжений 
σ1, действуют еще поперечные растягивающие напряжения 
σ2 и σ3 (рис. 7.1). Волокна в основании надреза под влиянием 
напряжения σ1 стремятся растянуться и уменьшиться в поперечном направлении. Этому препятствует надрезная часть 
образца, из-за чего появляются σ2 и σ3. Благодаря концентрации напряжений и объемному растяжению первая трещина 
появляется у основания надреза. Острие возникшей трещины – еще более мощный концентратор напряжений, что способствует продвижению трещины в толщу образца вплоть 
до его полного разрушения.
Из сказанного ясно, что наличие надреза уменьшает долю 
касательных напряжений, которые стремятся к нулю по мере 
приближения к равенству величин σ1, σ2 и σ3. Следовательно, уменьшается пластическая деформация, вызываемая 
касательными напряжениями, т.е. металл охрупчивается, 
а пластическая деформация концентрируется в ограниченной части объема образца вокруг надреза. Здесь поглощается 
практически вся работа удара, поэтому, строго говоря, за меру