Механические свойствоа материалов

1 МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА МАТЕРИАЛОВ

       Механические свойства материалов - совокупность показателей, характеризующих сопротивление материала воз действующей на него нагрузке, его способность деформироваться при этом, а также особенности его поведения в процессе разрушения. Для того чтобы установить, какими механическими свойствами обладает тот или иной материал, его подвергают механическим испытаниям с помощью специальных машин и приборов. Для производства механических испытаний из материалов с соблюдением всех технологических особенностей его получения изготавливают образцы определенного размера. На испытания различных материалов устанавливаются государственные стандарты. Результаты испытаний принято измерять определенными единицами с тем, чтобы полученные результаты было легко сопоставить. 
        В соответствии с этим М. с. м. измеряют напряжениями (обычно в кгс/мм2 или Мн/м2), деформациями (в %), удельной работой деформации и разрушения (обычно в кгс․м/см2 или Мдж/м2), скоростью развития процесса разрушения при статической или повторной нагрузке (чаще всего в мм за 1 сек или за 1000 циклов повторений нагрузки, мм/кцикл). М. с. м. определяются при механических испытаниях образцов различной формы. 

       В общем  случае материалы в конструкциях  могут подвергаться самым различным  по характеру нагрузкам: работать на растяжение, сжатие, изгиб, кручение, срез и т. д. или подвергаться совместному действию нескольких видов нагрузки, например растяжению и изгибу. Также разнообразны условия эксплуатации материалов и по температуре, окружающей среде, скорости приложения нагрузки и закону её изменения во времени. В соответствии с этим имеется много показателей М. с. м. и много методов механических испытаний. Для металлов и конструкционных пластмасс наиболее распространены испытания на растяжение, твердость, ударный изгиб; хрупкие конструкционные материалы (например, керамику, металлокерамику) часто испытывают на сжатие и статический изгиб; механические свойства композиционных материалов важно оценивать, кроме того, при испытаниях на сдвиг.    

 Параметры материалов определяют с помощью опытных измерений,используя специальные технические средства. Требования к исследуемым стандартным образцам материалов (например, масса, габаритные размеры, чистота поверхности и др.) устанавливаются соответствующими Государственными стандартами.

Механические свойства материалов характеризуют возможность их использования в изделиях, эксплуатируемых при воздействии внешних нагрузок.                           

        Основными показателями свойств материалов являются:

        - прочность;

        - твердость;

       - триботехнические  характеристики, параметры которых существенно зависят от формы, размеров и состояния поверхности образцов, а также режимов испытаний (скорости нагружения, температуры, воздействий окружающих сред, и других факторов).

 Их параметры существенно зависят от формы, размеров и состояния поверхности образцов, а также режимов испытаний (скорости нагружения, температуры, воздействия окружающих сред и других факторов).

        Прочность - свойства материалов сопротивляется разрушению, а так же необратимому изменению формы под действием внешних нагрузок. Она обусловлена силами взаимодействия атомных частиц, составляющих материал.

         Если при растяжении образца сила внешнего воздействия на пару атомов превосходит силу их притяжения, то атомы будут удалятся друг от друга. Напряжение возникающее в материале и отвечающее силе межатомного притяжения, соответствует теоретической прочности. При возникновении в материале локального напряжения, превышающего теоретическую прочность, произойдет разрыв материала по этому участку. В результате образуется трещина. Рост трещин продолжается, пока в результате их слияния одна из трещин не распространится на все сечения образца, и не произойдет его разрушения.

        Деформирование - изменение относительного расположения частиц в материале (растяжение, сжатие , изгиб, кручение, сдвиг). Таким образом деформация - изменение формы и размеров изделия или его частей в результат деформирования. Деформацию называют упругой, если она исчезает после снятия нагрузки, или пластичной, если она не исчезает (необратима).

       Реальные материалы обладают технической прочностью, основные характеристики которой удобно рассмотреть с помощью диаграммы растяжения образца из пластичного материала (рис. 1).

 

 

 

            Деформация растяжения — вид деформации, при которой нагрузка прикладывается продольно от тела, то  есть соосно или параллельно точкам крепления тела. Проще всего растяжение рассмотреть на буксировочном тросе для автомобилей. Трос имеет две точки крепления к буксиру и буксируемому объекту, по мере начала движения трос выпрямляется и начинает тянуть буксируемый объект. В натянутом состоянии трос подвергается деформации растяжения, если нагрузка меньше предельных значений, которые может он выдержать, то после снятия нагрузки трос восстановит свою форму.

     

  

 

 

 Схема растяжения образца

        Деформация растяжения является одним из основных лабораторных исследований физических свойств материалов. В ходе приложения растягивающих напряжений определяются величины, при которых материал способен:

  1.воспринимать нагрузки с дальнейшим восстановлением первоначального состояния (упругая деформация)

   2.воспринимать нагрузки без восстановления первоначального состояния   (пластическая деформация)

     3.разрушаться на пределе прочности

  Данные испытания являются главными для всех тросов и веревок, которые используются для строповки, крепления грузов, альпинизма. Растяжение имеет значение также при строительстве сложных подвесных систем со свободными рабочими элементами.

          Деформация сжатия — вид деформации, аналогичный растяжению, с одним отличием в способе приложения нагрузки, ее прикладывают соосно, но по направлению к телу. Сдавливание объекта с двух сторон приводит к уменьшению его длины и одновременному упрочнению, приложение больших нагрузок образовывает в теле материала утолщения типа «бочка».

 

 

 

 

          Схема сжатия образца

          Деформация сжатия широко используется в металлургических процессах ковки металла, в ходе процесса металл получает повышенную прочность и заваривает дефекты структуры. Сжатие также важно при строительстве зданий, все элементы конструкции фундамента, свай и стен испытывают давящие нагрузки. Правильный расчет несущих конструкций здания позволяет сократить расход материалов без потери прочности.

          Деформация сдвига — вид деформации, при котором нагрузка прикладывается параллельно основанию тела. В ходе деформации сдвига одна плоскость тела смещается в пространстве относительно другой. На предельные нагрузки сдвига испытываются все крепежные элементы — болты, шурупы, гвозди. Простейший пример деформации сдвига – расшатанный стул, где за основание можно принять пол, а за плоскость приложения нагрузки – сидение.

 

 

 

 

Схема сдвига образца

         Деформация изгиба — вид деформации, при котором нарушается прямолинейность главной оси тела. Деформации изгиба испытывают все тела подвешенные на одной или нескольких опорах. Каждый материал способен воспринимать определенный уровень нагрузки, твердые тела в большинстве случаев способны выдерживать не только свой вес, но и заданную нагрузку. В зависимости от способа приложения нагрузки при изгибе различают чистый и косой изгиб.

 

 

 

 

Схема изгиба образца

        Значение деформации изгиба важно для проектирования упругих тел, таких, как мост с опорами, гимнастический брус, турник, ось автомобиля и другие.

        Деформация кручения – вид деформации, при котором к телу приложен крутящий момент, вызванный парой сил, действующих в перпендикулярной плоскости оси тела. На кручение работают валы машин, шнеки буровых установок и пружины.

 

 

 

 

 

 

         

Схема кручения образца

 

        Предел упругости – напряжение, при котором остаточные деформации (т.е. деформации, обнаруживаемые при разгрузке образца) достигают значения, установленного техническими условиями. Предел упругости σу ограничивает область упругих деформаций материала.

Предел текучести – напряжение, отвечающее нижнему положению площадки текучести на диаграмме для материалов, разрушению которых предшествует заметная пластическая деформация.

Прочие материалы характеризуют  условным пределом текучести – напряжением, при котором остаточная деформация достигает значения, установленного техническими условиями. Обычно остаточная деформация не превышает 0,2%. Отсюда и обозначение: σ0,2. Предел текучести является основной характеристикой прочности пластичных материалов.

Предел прочности  – напряжения или деформации, соответствующие максимальному (в момент разрушения образца) значению нагрузки. Отношение наибольшей силы, действующей на образец, к исходной площади его поперечного сечения называют временным сопротивлением (разрушающим напряжением) и обозначают ав.

Предел прочности  – основная характеристика механических свойств хрупких материалов, т.е. материалов, которые разрушаются при малых пластических деформациях.

Правила определения характеристик  технической прочности материалов при растяжении, сжатии, изгибе, кручении и других видах напряженного состояния  установлены государственными стандартами (ГОСТ).

Динамическая  прочность – сопротивление материалов динамическим нагрузкам, т.е. нагрузкам, значение, направление и точка приложения которых быстро изменяются во времени.

Усталость материалов – процесс постепенного накопления повреждений под действием переменных напряжений, приводящих к изменению свойств материалов, образованию и разрастанию трещин. Свойство материалов противостоять усталости называется выносливостью.

Ползучесть – непрерывное пластическое деформирование материалов под действием постоянной нагрузки. Любые твердые материалы в той или иной степени подвержены ползучести во всем диапазоне температур эксплуатации. Вредные последствия ползучести материалов особенно проявляются при повышенных температурах.

        Твердость – механическая характеристика материалов, отражающей их прочность, пластичность и свойства поверхностного слоя изделия. Твердостью называется способность тела оказывать сопротивление при внедрении в его поверхность другого тела. Твердость— важная характеристика материала. Очень часто в зависимости от твердости материала судят о его способности сопротивляться износу. Чем тверже материал, тем меньше он изнашивается. 

 Она выражается сопротивлением  материала местному пластическому  деформированию, возникшему при  внедрении в материал более  твердого тела - индентора. В зависимости от способа внедрения и свойств индентора твердость материалов оценивают по различным критериям, используя несколько методов:

        - вдавливание индентора;

        - динамические методы;

       - царапанье.    

        Вдавливание индентора  в образец с последующим измерением отпечатка является основным технологическим приемам при оценке твердости материалов.  В зависимости от способностей приложения нагрузки, конструкции инденторов и определения чисел твердости различают методы:

         - Бринелля;

         - Роквелла;

         - Виккерса.

        Для определения твердости с помощью специального пресса в поверхность образца вдавливается стальной шарик (метод Бринеля). При испытании более твердых материалов, когда стальной шарик может деформироваться, вдавливают алмазную пирамиду (способ Виккерса) или алмазный конус (способ Роквелла).

         Динамические методы измерения твердости не приводят к возникновению дефектов поверхности изделия. Распространен способ определения твердости в условных единицах по высоте отскакивания легкого ударника (бойка), падающего на поверхность испытуемого материала с определением высоты. Применяется и метод измерения твердости с помощью ультразвуковых колебаний, основанный на регистрации изменения частоты колебаний измерительной системы в зависимости от твердости исследуемого материала.

         Путем царапанья сравнивают твердость исследуемого и эталонного материалов. В качестве эталонов приняты 10 минералов расположенных в порядке возрастания их твердости: тальк, гипс, кальцит, флюорит, апатит, ортоклаз, кварц, топаз, корунд, алмаз.  

        В  тех случаях, когда нельзя на  поверхности изделия оставлять  следов вдавливания, используют  способ упругой отдачи на приборе,  носящем название склероскопа  (определение твердости по Шору). Для определения твердости весьма тонких поверхностных слоев применяют особые приборы. В СССР пользуются микротвердометром, созданным Хрущевым и Берковичем. Испытание, носящее название определения микротвердости, состоит из вдавливания в материал алмазной пирамиды при небольших нагрузках от 5 до 200 г и измерения с помощью микроскопа диагонали отпечатка ее на поверхности материала (необходимым условием испытания является тщательная обработка поверхности материала).