Механические (прочностные) свойства материалов

Механические (прочностные) свойства характеризуют способность материала противостоять деформации или разрушению. Деформация – изменение размеров или формы тела под действием внешних или внутренних сил. Деформации могут быть упругие (исчезают после снятия нагрузки) и пластические (остаются после снятия нагрузки). К механическим свойствами относят прочность, упругость, твердость, износостойкость, пластичность, вязкость, каждое из которых характеризуют стандартными показателями, определяемыми при испытаниях в лабораторных условиях на специальных образцах. Полученные при таких испытаниях показатели механических свойств оценивают поведение материалов при внешней нагрузке без учета особенностей конструкции детали и условий ее эксплуатации (например, жесткость детали, цикличность нагружения и другие). Учет конструктивных особенностей и условий эксплуатации детали проводят при разработке детали, вводя в стандартные показатели материала соответствующие коррективы, например, уменьшение их показателей до установленных значений.

Многие важные прочностные показатели материалов определяются при статических испытаниях на растяжение по стандартной методике, ГОСТ 1437-84, на стандартных образцах. До испытаний образец имеет длину l₀ и площадь поперечного сечения F₀. Испытания проводят на специальных разрывных машинах. Плавно повышая нагрузку, фиксируют удлинение образца , где l – длина образца при нагружении. По результатам испытаний строят диаграмму растяжения в координатах нагрузка (напряжения) – удлинение образца (рисунок 21).

Значения напряженияσ определяют из выражения σ=P/F, где P – прикладываемая к образцу нагрузка.

На диаграмме можно выделить три участка: линейный OA, соответствующий упругой деформации до напряжения σ_пц, нелинейный AB, соответствующий упругопластической деформации при возрастании нагрузки от напряжений σ_пц до σ_в; и нелинейный BC, также соответствующий упругопластической деформации, но при снижении нагрузки. При напряжениях, соответствующих напряжением в точке C, происходит разрушение образца.

На линейном участке в области упругих деформаций напряжения прямо пропорциональны удлинению. Эта зависимость известна под названием закона Гука:

,

где σ_пц - напряжение предела пропорциональности, до значения которых сохраняется линейная зависимость их от удлинения; E – модуль нормальной упругости (модуль Юнга, размерность его МПа), характеризующий упругие свойства материала (связан с силами межатомного взаимодействия);- относительная упругая деформация.

На небольшом участке от напряжений σ_пц до σ_упр нарушается незначительно линейная зависимость между нагрузкой и деформацией из-за упругих несовершенств материала, связанных с дефектами кристаллической решетки. Поэтому упругие свойства материала оценивают напряжениями предела упругости σ_упр.

Пределом упругости σ_упр называют напряжение, при котором пластическая деформация не превышает заданного установленного значения в 0,005; 0,02 или 0,05%. Соответствующие пределы упругости обозначают σ_0,005, σ_0,02, σ_0,05 и приводят в справочниках. Используют эти показатели при расчетах упругих элементов, жесткости конструкций.

У некоторых материалов при увеличении нагрузки до значений, при которых возникают напряжения выше напряжения σ_упр , на диаграмме появляется площадка текучести (рисунок 21,а). В материале проявляются пластические деформации без заметного изменения нагрузки. Напряжениями предела текучести называют наименьшее напряжение, при котором материал деформируется (течет) без изменения нагрузки. Иногда его называют физическим пределом упругости. Если на диаграмме растяжения площадка текучести отсутствует (рисунок 21,б), то предел текучести определяют как напряжение, которому соответствует пластическая деформация 0,2%, обозначают σ_0,2 и называют условный предел текучести.

При дальнейшем увеличении нагрузки напряжения в материале увеличиваются, пластическая деформация возрастает.

При определенной нагрузке на образце появляется местное утонение – шейка, в которой в основном и сосредотачивается пластическая деформация. Этому моменту соответствует на диаграмме растяжения точка B, а напряжение называют временное сопротивление. Временное сопротивление (предел прочности σ_в (МПа)) – напряжение, соответствующее наибольшей нагрузке, предшествующей разрушению образца. Оно характеризует максимальную прочностную способность материала, после чего он разрушается. Напряжения σ_пц, σ_упр, σ_т, σ_в являются стандартными показателями прочности.

Пластичность материала характеризует относительным удлинением δ и относительным сужениемψ:

; ,

где l_k – конечная длина образца; l₀ и F₀ – начальная длина и площадь поперечного сечения образца; F_k-площадь поперечного сечения в месте разрыва.

Для малопластичных, хрупких материалов испытания на растяжение для определения прочностных показателей представляют значительные затруднения. Поэтому такие материалы подвергают испытанию на изгиб или сжатие. Подробнее об этом в литературе [1,2,3,6].

Способность материала работать при знакопеременных (циклических) нагрузках называют выносливостью. Количественным показателем выносливости служит напряжение предела выносливостиσ_-1, значение которого определяется через значения показателей прочности, или по результатам специальных испытаний числом циклов нагружения до разрушения материала.

Важным свойством для материала деталей, имеющих при работе относительное движение (например, подшипники скольжения), является износостойкость. Износостойкость – способность материала противостоять поверхностному разрушению под действием сил трения. Для оценки износостойкости используют такие показатели, как изменение размера на единицу длины, или изменение массы за определенное время работы.

При работе деталей приборов в условиях динамических нагрузок многие металлы проявляют склонность к хрупкому разрушению, усиливаемому различными концентраторами напряжениями. Для оценки склонности металла к хрупкому разрушению проводят испытания на ударную вязкость на маятниковых копрах с использованием специальных образцов с надрезами [1, 2].

Способность материала работать при быстро возрастающих нагрузках называют ударной вязкостью. За показатель ударной вязкости принимают величину работы К, затраченной на ударный излом образца, и отнесенный к площади его поперечного сечения S₀ в месте надреза: КСUв размерности (МДж/м²). Буква U указывает на форму надреза образца.

Ударная вязкость чувствительна к снижению температуры. Поэтому испытания на ударную вязкость при пониженных температурах используют для определения хладноломкости – температуры или температур, при которых происходит снижение ударной вязкости. Хладноломкостью называют свойство металлического материала терять свою вязкость, хрупко разрушаться при низких температурах. К хладноломким можно отнести сплавы с ОЦК кристаллической решеткой, например a-Fe, и ГП решёткой, например Zn. К нехладноломким металлам можно отнести g-Fe, Al, Ni и другие, имеющих ГЦК кристаллическую решетку.