Механические свойства конструкционных материалов

Механическими называют такие свойства, которые определяют при испытаниях образцов материалов под действием внешних нагрузок. В результате этих испытаний устанавливают количественные характеристики механических свойств.

Механические свойства характеризуют поведение материала под действием сил, приводящих к деформациям и разрушению, которые появляются как в процессе изготовления изделий, так и при эксплуатации:

- напряжение — сила, отнесенная к площади, на которую эта сила действует;

- остаточное напряжение — напряжение, которое остается в теле или его части после полного снятия воздействия. Остаточные напряжения возникают в результате неоднородной пластической деформации при обработке давлением или резанием, а также ввиду неравномерного охлаждения и затвердевания при литье и сварке. Иногда такие напряжения называют внутренними или дополнительными напряжениями;

- концентрация напряжений — значительное увеличение напряжений в местах резкого изменения формы тела, называемых концентраторами напряжений (отверстий, надрезов, выточек, пазов, уступов, углов, дефектов поверхности и др.);

- деформация — изменение размеров или формы тела, возникающее при воздействии на тело внешних сил (растяжения, сжатия), температуры, а также в результате фазовых превращений. Различают упругую деформацию — деформацию, исчезающую после снятия нагрузки, и пластическую (или остаточную) деформацию — деформацию, остающуюся после снятия нагрузки;

- прочность — способность материала сопротивляться разрушению. Прочность зависит не только от самого материала, но и от вида напряженного состояния (например, растяжение или сжатие), а также условий нагружения (температуры, скорости нагружения, изменение во времени, др.);

- жесткость — способность материала сопротивляться деформациям;

- пластичность — способность материала получать остаточные деформации не разрушаясь;

- хрупкость — способность материала разрушаться без образования заметных остаточных деформаций. Это свойство является противоположным свойству пластичности.

Стандартные механические характеристики материалов определяют в лабораторных условиях на образцах стандартных размеров посредством создания необратимой пластической деформации или разрушения образцов (ГОСТ 1497—84). Испытание на растяжение является основным и наиболее распространенным исследованием. В последнее время все чаще проводят испытание на сжатие, которое позволяет изучить поведение материала при значительно больших деформациях, чем растяжение, поскольку сжатие намного ближе по своему характеру к напряженному состоянию многих формоизменяющих операций, например, большинства операций ковки и объемной штамповки.

Первичным источником информации о прочности и пластичности материалов служит испытание на статическое одноосное растяжение, при котором получают несколько характеристик:

- предел текучести от — напряжение, при котором возникают пластические деформации на начальной стадии деформирования. Предел текучести представляет собой начальное напряжение текучести;

- упрочнение (наклеп, нагартовка) — увеличение напряжения текучести материала при увеличении деформации. Получивший предварительное упрочнение материал обладает большим пределом текучести, но меньшей пластичностью, чем неупрочненный;

- предел прочности (временное сопротивление при растяжении или сжатии) ов — отношение наибольшей силы, которую способен выдержать образец, к его начальной площади поперечного сечения.

Разновидностью статических нагрузок являются периодически изменяющиеся во времени или циклические нагрузки, приводящие к усталостному разрушению. Способность материалов сопротивляться разрушению под действием циклических нагрузок называется усталостной прочностью или выносливостью. Характеристикой усталостной прочности при наиболее опасном симметричном цикле является предел выносливости о-1 — напряжение, при котором материал выдерживает либо неограниченное число циклов, либо регламентированное число циклов (обычно 10в8 циклов).

При статических нагрузках, особенно в условиях высоких температур, наблюдается явление ползучести, проявляющееся в самопроизвольном изменении с течением времени деформаций и напряжений в статически нагруженном изделии. Предел ползучести опл — напряжение, при котором деформация ползучести материала за данный промежуток времени достигает заданной величины. Промежуток времени обычно принимают равным сроку службы изделия, а деформацию ползучести выбирают из условий нормальной эксплуатации изделия.

Жесткость материала в пределах упругости характеризуется модулем упругости Е. Чем больше модуль упругости, тем жестче материал, т.е. тем меньше он деформируется при той же величине напряжения. Например, латунная державка режущей пластины токарного резца может оказаться не менее прочной по сравнению с державкой, выполненной из стали: многие латуни по величине предела прочности или текучести не уступают сталям. Однако с учетом того, что модуль упругости латуни (E = 1,2*10в5 МПа) почти в 2 раза меньше модуля упругости стали (E = 2*10в5 МПа), резец с латунной державкой тех же размеров будет вдвое больше прогибаться под действием сил резания, чем со стальной, что значительно ухудшит точность обработки. Таким образом, хотя латунь и удовлетворяет в данном случае требованиям прочности материала, она не соответствует им по жесткости.

Пластичность материала характеризуется относительным удлинением b (после разрушения) и относительным сужением w (после разрушения). Величина b существенно зависит от отношения начальной длины образца l0 к его диаметру d0. Поэтому в справочниках указывают, на каком образце определена величина b. Например, b5 означает, что удлинение получено на образце с отношением l0/d0 = 5, а b10 — при l0/d0 = 10. Величина у практически не зависит от указанного отношения и поэтому характеризует пластичность более точно.

Нагружение, которое приводит к появлению значительных массовых сил, определяемых произведением массы тела рассматриваемого объема на его ускорение, называется динамическим. Частным случаем динамического нагружения является, например, перегрузка элементов ракеты при движении ее с ускорением, а также ударное нагружение. Массовые силы считаются значительными, если они соизмеримы с прочими силами, действующими на рассматриваемое тело.

Нагружение называется скоростным, если пластические деформации не успевают произойти полностью за время изменения нагрузки, т.е. если скорость протекания пластических деформаций является недостаточной для их полного завершения в процессе изменения нагрузки. Экспериментальные данные показывают, что увеличение скорости деформирования оказывает значительное влияние на механические характеристики материала. Например, при ударном растяжении, одновременно являющимся и динамическим, и скоростным, предел текучести повышается на 20...70 %, а предел прочности — на 10...30 % по сравнению со статическим растяжением. Пластичность с ростом скорости нагружения резко убывает, и даже наблюдается склонность к хрупкому разрушению пластичных материалов.

Поскольку для построения диаграммы ударного растяжения требуются очень сложные специальные машины, обычно применяют упрощенный способ оценки свойств материала в условиях ударной нагрузки, называемый испытанием на ударную вязкость, под которой понимают отношение работы, затраченной на разрушение образца с надрезом специальным маятниковым копром, к площади прямоугольного поперечного сечения образца в месте надреза. Обозначение этой характеристики зависит от типа надреза: KCU — U-образный надрез; KCV — V-образный надрез; KCT — V-образный надрез с нанесенной в его основании усталостной трещиной. Чем больше ударная вязкость, тем лучше материал сопротивляется удару (тем лучше, например, броня танка сопротивляется пробиванию снарядом; наковальня, не трескаясь, выдерживает удары молота).

Изготовление и испытание образцов на растяжение или сжатие достаточно трудоемко и занимает много времени. Поэтому на практике часто прибегают к простой и быстрой сравнительной оценке прочностных свойств материала с помощью пробы на твердость, для проведения которой обычно не требуется изготовление образцов из исследуемых объектов.

Твердость — способность материала сопротивляться вдавливанию в него постороннего тела. При измерении твердости специальные наконечники вдавливают в материал и судят о твердости по обмеру полученного отпечатка. Значение твердости и ее размерность для одного и того же материала зависят от метода измерения. Наибольшее распространение получил метод Бринелля (твердость обозначают HB): в испытываемую поверхность вдавливают высокопрочный стальной шарик. Методом Роквелла измеряют материалы высокой твердости, вдавливая алмазный конус; используют три шкалы в порядке возрастания твердости — HRB, HRC, HRA. Для материалов малой толщины и с тонким поверхностным слоем высокой твердости применяют метод Виккерса (HV), в котором вдавливают четырехгранную алмазную пирамиду с квадратным основанием. Специальные экспериментальные таблицы, графики или зависимости позволяют по значениям твердости приближенно определить предел прочности или предел текучести материала.

Для измерения твердости очень мелких изделий или твердости отдельных составляющих структуры сплавов определяют микротвердость (H), вдавливая четырехгранную алмазную пирамиду под малой нагрузкой.