Механические свойства материалов

Механические свойства – это способность материалов сопротивляться различного вида нагрузкам. Определение этих способностей производиться экспериментально при исследовании деформированных и напряженных состояний образцов, выполненных из определенного материала. В большинстве случаев в таких экспериментах (испытаниях) определяется соотношение между напряжением и деформацией образца.

В зависимости от этого соотношения все конструкционные материалы условно делятся на пластичные, малопластичные и хрупкие. Образцы из пластичных материалов при нагружении допускают значительные деформации без разрушения. К таким материалам относятся малоуглеродистые стали, алюминий, медь. Хрупкие материалы разрушаются уже при незначительных деформациях – это чугун, высокоуглеродистые стали, металлокерамика, стекло, некоторые пластмассы. Малопластичные материалы занимают промежуточное положение, к ним относятся многие среднеуглеродистые и легированные стали, титан, дюралюминий, бронза.

При испытаниях материалов различают статические и динамические способы приложения нагрузок. При статическом нагружении различают испытания на растяжение, на сжатие, на изгиб, на кручение и на срез. К статическим испытаниям относится также определение твердости поверхности образца. При динамическом нагружении производят испытания образцов на удар (при растяжении, изгибе и кручении) и на усталость. В ряде случаев производится испытание материалов при повышенных температурах, например, если детали из этих материалов должны работать в машинах литейных и кузнечных цехов, или в тепловых двигателях, где температура может достигать 1000°С. К механическим свойствам материалов относится также их способность сопротивляться трению, поэтому материалы и детали машин испытываются также на трение и изнашивание. Все эти испытания происходят в лабораторных условиях на специальных машинах: разрывные машины, твердомеры, маятниковые копры и пр.

Наиболее распространены испытания материалов на статическое растяжение и сжатие, так как они относительно просты и дают результаты, позволяющие с достаточной достоверностью судить о поведении материалов при других видах деформации.

Испытание на растяжение производится статическим нагружением образца на разрывной машине. Форма и размеры образцов стандартизованы. Обычно используется цилиндрический образец, расчетная длина которого l₀ в десять раз превышает его диаметр d₀ Наиболее распространены образцы с расчетной длиной 100 мм. Эту длину отмечают на образце рисками или кернами. При растяжении регистрируется нагрузка на образец F и его удлинение Dl. По эти данным строится диаграмма растяжения образца F(Dl). Такая диаграмма для образца из малоуглеродистой стали показана на рисунке.

Оценка механических свойств материала, а не конкретного образца, может быть сделана при помощи диаграммы растяжения в системе координат «напряжение – относительное удлинение». То есть, по вертикальной оси вместо силы F откладывается напряжение , где А – площадь поперечного сечения образца до испытаний, а по горизонтальной оси откладывается относительное удлинение , где l₀ –расчетная длина образца до испытаний. Диаграмма s(e) будет иметь тот же вид, что и диаграмма F(Dl), и отличаться от нее только масштабами. Рассмотрим участки этого графика. Прямолинейный участок 0А соответствует упругим деформациям материала образца и величина деформации прямо пропорциональна растягивающему усилию.

После точки А график становится криволинейным. До точки В (участок АВ) деформации остаются упругими, то есть при разгрузке образец восстанавливает свою первоначальную форму и размеры, хотя деформации и напряжения не пропорциональны.

На участке ВС появляются неупругие деформации. Это значит, что, если нагрузку довести до величины, соответствующей участку ВС, а потом эту нагрузку снять, то образец не полностью вернется к своей первоначальной длине, он станет немного длиннее, то есть, появится остаточная деформация.

Участок CD соответствует процессу деформации образца без увеличения внешней нагрузки. Это называется текучестью материала.

На участке DK для дальнейшей деформации образца требуется увеличение нагрузки, образец становиться как бы прочнее, чем он был на участке текучести. Поэтому этот участок называется зоной упрочнения. Заканчивается этот участок при достижении максимальной нагрузки, воспринимаемой образцом.

Участок КR характеризуется удлинением образца при уменьшающейся нагрузке. При такой деформации образуется шейка, и образец удлиняется в результате ее утонения. В точке R происходит разрушение образца.

Если растягивающую нагрузку снять, не доводя образец до разрушения, например, в точке L, то процесс разгрузки изобразится на графике наклонной прямой, параллельной участку 0А. Деформация образца сократится на величину упругой части удлинения Dl_УПР, и длина образца станет больше первоначальной на величину остаточной пластической деформации Dl_ОСТ. Аналогично этому, если соединить две части разорванного образца, то его расчетная длина будет больше первоначальной на величину остаточной пластической деформации Dl.

Свойство материала в зоне упрочнения (участок DK диаграммы растяжения) используется на практике для улучшения прочностных характеристик пластичных материалов. Если растянуть образец до состояния внутри зоны упрочнения, а потом нагрузку снять, то при последующих испытаниях можно заметить, что область упругих деформаций увеличилась, но пластичность уменьшилась. Такое изменение механических свойств материала образца при вытяжке его за участком текучести называется наклепом. Упрочнение стали при помощи наклепа используют при изготовлении проволочных канатов (тросов) и грузовых цепей. Для придания медным и стальным листам и полосам упругих свойств и твердости их подвергают прокатке или ковке (расклепке) в холодном состоянии (отсюда и произошел термин «наклеп»).

Испытание на сжатие производится в основном для хрупких материалов, в частности, для чугуна. Пластичные материалы не дают разрушения при сжатии, и определить их прочностные характеристики практически не возможно. Диаметр образцов колеблется от 10 до 25 мм, а длина равна диаметру. Испытания производятся на специальных прессах и строятся диаграммы «сила – деформация», позволяющие судить о свойствах материала.

Испытания на усталость. Под усталостью понимают постепенное разрушение материала при большом числе повторно-переменных (циклических) напряжений, а способность материала выдерживать эти напряжения без разрушения называется выносливостью. Обычно производятся испытания образцов материалов при циклических изгибающих напряжениях на специальных машинах. Напряжения меняются по синусоидальному закону и могут быть пульсирующими (отнулевыми), когда изгиб происходит только в одну сторону, или знакопеременными, когда образец гнется в разные стороны.

Характер разрушения материала от воздействия на него таких циклических нагрузок существенно отличается от характера разрушения при статических нагрузках. Разрушение начинается обычно с образования микротрещин, которые постепенно увеличиваются и уменьшают площадь поперечного сечения детали. Разрушение происходит внезапно, когда площадь сечения уменьшится настолько, что не может выдержать заданной нагрузки. На поверхности излома различимы две характерные зоны: зона постепенного разрушения от развития трещин (с гладкой поверхностью) и зона внезапного разрушения (с крупнозернистой поверхностью хрупкого излома).

В результате испытаний на усталость строится график зависимости величины напряжения от числа циклов до излома образца. При испытании стальных образцов число циклов меняется в зависимости от напряжения от одного до ста миллионов.

Определение твердости. Твердость – это способность материала сопротивляться механическому проникновению в него другого тела. Твердость определяют по методам Бринеля и Роквелла. Материалы относительно невысокой твердости подвергают испытанию по Бринелю при помощи вдавливания твердого шарика в испытуемый материал. При испытании по Роквеллу (для более твердых материалов) в материал вдавливают острый алмазный наконечник. По величинам поверхностей лунок, оставшихся после вдавливания, или по глубине вдавливания можно судить о твердости материала, которая оценивается в специальных единицах (см. ниже).