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 поверх-
ностей разрушения металлических материалов. Лабораторные ра-
боты направлены на привитие практических навыков проведения 
этих испытаний и анализа полученных результатов.
Предназначен для студентов, обучающихся по направлени-
ям подготовки: бакалавров 22.03.02 «Металлургия», дисциплина 
«Методы исследований свойств металлов и сплавов»; магистров 
22.04.02 «Металлургия», дисциплина «Методы исследования фи-
зико-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 продолже-
нием лабораторного практикума В.С. Золоторевского и др. 
«Механические свойства металлов: статические испытания» 
и предназначен для студентов, обучающихся по направлению 
«Металлургия». Во второй части рассматриваются механиче-
ские испытания при динамическом и циклических нагруже-
ниях, методы определения вязкости разрушения, проводятся 
анализ изломов и построение диаграмм истинных напряже-
ний при сжатии. В результате выполнения лабораторных ра-
бот студенты получают практические навыки проведения 
важнейших механических испытаний и учатся анализировать 
результаты этих испытаний. Изменения и дополнения, вне-
сенные в настоящее издание практикума, связаны, главным 
образом, с заменой испытательного оборудования на более со-
временное.

Лабораторная работа 7 
ОПРЕДЕЛЕНИЕ УДАРНОЙ ВЯЗКОСТИ 
(2 часа)

7.1. Цель работы

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

7.2. Теоретическая часть

Ударной вязкостью (KC) называется отношение полной ра-
боты (K), затраченной на деформацию и разрушение ударным 
изгибом надрезанного образца, к площади его поперечного се-
чения в месте надреза.
Значительное увеличение скорости деформации при пере-
ходе от статических испытаний к ударным вызывает измене-
ние всех свойств сплавов, связанных с пластической деформа-
цией и разрушением. Из многих методов ударных испытаний 
самое широкое практическое применение нашел ударный из-
гиб 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 дина-
мических нагрузках деталей машин и механизмов во время 
эксплуатации ударная вязкость приобретает значение показа-
теля 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 со-
противление разрушению. Действительно, если рассматривать 
пластичность металла как способность к равномерной деформа-
ции, то по мере растяжения или изгиба образец равномерно те-
чет, пока материал способен к деформационному упрочнению. 
В свою очередь, из-за деформационного упрочнения (наклепа) 
деформация продолжается при непрерывном возрастании дей-
ствующих напряжений, т.е. сопротивления деформации.
Разрушение образца происходит, когда действующие на-
пряжения достигают величины сопротивления отрыву или 
когда деформационное упрочнение перестает предотвращать 
локализацию деформации. Таким образом, пластичность ме-
талла, а следовательно, и его вязкость тем выше, чем медлен-
нее он наклепывается, т.е. чем меньше коэффициент дефор-
мационного 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 со-
противление 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 ско-
рости деформации, то благодаря более интенсивному дефор-
мационному упрочнению диаграмма деформации достигнет 
уровня сопротивления разрушению при меньшей пластиче-
ской 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. происхо-
дит переход от среза к отрыву, при этом пластичность и вяз-
кость значительно, а иногда весьма резко снижаются.
Если сопротивление разрушению растет одновременно с ро-
стом деформации, то, несмотря на более интенсивное упроч-
нение, 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 ха-
рактеризуются тем, что при малых и больших скоростях де-
формации их разрушение происходит вязко и не наблюдает-
ся переход в хрупкое состояние (алюминий, медь и большая 
часть сплавов на их основе, в том числе дуралюмин, однофаз-
ные латуни, бронзы и др.).
Поскольку одной из важнейших задач ударных испытаний 
является выявление склонности материала к хрупкому раз-
рушению, обычно стремятся к такому способу приложения 
нагрузки, при котором растягивающие напряжения и дефор-
мации были бы достаточно велики. Поэтому мягкие способы 
нагружения – кручение и в особенности сжатие – мало подхо-
дят, и для этой цели применяют растяжение или изгиб.
Изгиб при ударных испытаниях имеет ряд методических 
преимуществ: концентрация напряжений у поверхности об-
разца, более простое и надежное измерение работы и боль-
шая 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 об-
разцы в форме призмы квадратного сечения, посредине одной 
из боковых граней которой сделан поперечный надрез. Над-
рез способствует ужесточению испытаний по двум причинам. 
Во-первых, надрез обеспечивает повышение концентраций 
напряжений, поэтому у основания надреза напряжения в два-
три раза превышают номинальные напряжения (рис. 7.1), вы-
численные 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 объ-
ем 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 по-
перечном направлении. Этому препятствует надрезная часть 
образца, из-за чего появляются σ2 и σ3. Благодаря концентра-
ции напряжений и объемному растяжению первая трещина 
появляется у основания надреза. Острие возникшей трещи-
ны – еще более мощный концентратор напряжений, что спо-
собствует 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. Следователь-
но, уменьшается пластическая деформация, вызываемая 
касательными напряжениями, т.е. металл охрупчивается, 
а пластическая деформация концентрируется в ограничен-
ной части объема образца вокруг надреза. Здесь поглощается 
практически вся работа удара, поэтому, строго говоря, за меру 

ударной вязкости необходимо принимать отношение работы 
удара (K) к величине деформируемого объема. Величина де-
формируемого объема зависит от материала, температуры ис-
пытания, геометрии надреза, и определить ее весьма трудно. 
Поэтому мерой ударной вязкости служит отношение работы 
удара к площади поперечного сечения образца под надрезом.

Рис. 7.1. Напряженное состояние в образце для испытаний 
на ударную вязкость с надрезом (заштриховано рабочее 
сечение образца, а пунктиром показана форма этого 
сечения после изгиба)

Метод определения ударной вязкости при комнатной темпе-
ратуре регламентируется ГОСТ 9454–78 и ГОСТ Р ИСО 148-1–
2013. Метод испытания по Шарпи (ИСО 148-1:2013) предусма-
тривает использование стандартизированных образцов с V- и 
U-образными надрезами посередине (рис. 7.2). Испытуемый 
надрезанный образец с квадратным сечением 10 мм и длиной 
55 мм укладывают на две опоры, после чего в центре пролета 
производится удар бойком маятника со стороны, противопо-
ложной надрезу. Допускается также использование образцов 
меньшего сечения шириной B 7,5, 5 и 2,5 мм. U-образный над-
рез должен иметь глубину 5 мм (либо 2 или 3 мм) и радиус ос-
нования 1 мм. V-образный надрез должен быть выполнен под 
углом 45°, иметь глубину 2 мм и радиус при вершине 0,25 мм. 

Кроме того, ГОСТ 9454–78 предусматривает и другие типораз-
меры образцов, а также Т-образный концентратор, т.е. надрез 
с усталостной трещиной глубиной 3 или 5 мм.

Рис. 7.2. Образец с U-образным надрезом для испытаний 
на ударную вязкость

К качеству изготовления образцов предъявляются следу-
ющие требования: углы в поперечном сечении должны быть 
90±0,5°, перпендикулярность оси надреза образца ±2°, надрез 
может выполняться сверлением, фрезерованием или проточ-
кой абразивным кругом. Риски на поверхности надреза шли-
фуют или доводят. Боковые поверхности образцов обрабаты-
вают на плоскошлифовальных станках. 
Испытания образцов выполняют на маятниковых копрах 
с предельной энергией до 450 Дж (45 кгс.м). Работу, затрачен-
ную на деформацию и разрушение образца, в случае невоз-
можности регистрации кривой нагружения и прямого измере-
ния определяют по формуле

 
(
)
cos
cos
K
mgl
=
β −
α , 
(7.2)

где m – масса маятника; 
g – ускорение свободного падения; 
l – длина маятника; 
α и β – соответственно углы подъема маятника до и после 
излома образца (рис. 7.3).

Рис. 7.3. Схема испытаний на копре: 1 – испытуемый 
образец; 2 – опоры; 3 – боек молота; 4 – молот; L – 
расстояние между опорами; α и β – углы подъема маятника 
до и после излома образца соответственно; H и h – высоты 
подъема и взлета маятника; l – длина маятника

Работу удара, или поглощенную энергию, в Дж обознача-
ют двумя буквами (KU, KV или KТ) в зависимости от вида 
концентратора. Результатом испытания по ГОСТ 9454–78 
является ударная вязкость (KCU, KСV или KСТ, Дж/м2 или 
кгс.м/см2), которая определяется по формуле 

 

K
KC
F
=
, 
(7.3)

где K – работа удара, затраченная на деформацию и разруше-
ние образца; 
F – площадь поперечного сечения.

При испытаниях на ударную вязкость может быть получе-
на такая важная характеристика, как температура перехода 
в хрупкое состояние. Для малоуглеродистых сталей и ряда ме-
таллов с ОЦК-решеткой характерно резкое снижение ударной