МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА МАТЕРИАЛОВ

МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА МАТЕРИАЛОВ, совокупность показателей, характеризующих сопротивление материала воздействующей на него нагрузке, его способность деформироваться при этом, а также особенности его поведения в процессе разрушения. В соответствии с этим М. с. м. измеряют напряжениями (обычно в кгс/мм² или Мн/м²), деформациями (в %), уд. работой деформации и разрушения (обычно в кгс-м/см2 или Маж/м2), скоростью развития процесса разрушения при статич. или повторной нагрузке (чаще всего в мм за 1 сек или за 1000 циклов повторений нагрузки, мм/кцикл). М. с. м. определяются при механич. испытаниях образцов различной формы.

Рис. 1. Схемы деформации при разных способах нагружения: а - растяжение, б - сжатие, в - изгиб, г - кручение (пунктиром показана начальная форма образцов).

В общем случае материалы в конструкциях могут подвергаться самым различным по характеру нагрузкам (рис. 1): работать на растяжение, сжатие, изгиб, кручение, срез и т. д. или подвергаться совместному действию неск. видов нагрузки, напр, растяжению и изгибу. Также разнообразны условия эксплуатации материалов и по темп-ре, окружающей среде, скорости приложения нагрузки и закону её изменения во времени. В соответствии с этим имеется много показателей М. с. м. и много методов механич. испытаний. Для металлов и конструкц. пластмасс наиболее распространены испытания на растяжение, твёрдость, ударный изгиб; хрупкие конструкц. материалы (напр., керамику, металлокерамику) часто испытывают на сжатие и статич. изгиб; механич. свойства композиц. материалов важно оценивать, кроме того, при испытаниях на сдвиг.

Диаграмма деформации. Приложенная к образцу нагрузка вызывает его деформацию. Соотношения между нагрузкой и деформацией описываются т. н. д и а-граммой деформации (рис. 2). Вначале деформация образца (при растяжении - приращение длины Дl) пропорциональна возрастающей нагрузке Р, затем в точке п эта пропорциональность нарушается, однако для увеличения деформации необходимо дальнейшее повышение нагрузки Р; при Дl > Дlв деформация развивается без приложения усилия извне, при постепенно падающей нагрузке. Вид диаграммы деформации не меняется, если по оси ординат откладывать напряжение

чальная площадь поперечного сечения и расчётная длина образца).

Сопротивление материалов измеряется напряжениями, характеризующими нагрузку, приходящуюся на единицу пло-

к-ром нарушается пропорциональный нагрузке рост деформации, наз. пределом пропорциональности. При нагрузке Р<Р_празгрузка образца приводит к исчезновению деформации, возникшей в нём под действием приложенного усилия; такая деформация наз. упругой. Небольшое превышение нагрузки относительно Рв может не изменить характера деформации - она по-прежнему сохранит упругий характер. Наибольшая нагрузка, к-рую выдерживает образец без появления остаточной пластич. деформации при разгрузке, определяет предел у п р у-

У конструкц. неметаллич. материалов (пластмассы, резины) приложенная нагрузка может вызвать упругую, высокоэластическую и остаточную деформации. В отличие от упругой, высокоэластич.деформация исчезает не сразу после разгрузки, а с течением времени. Высоко прочные армированные полимеры (стеклопластики, углепластики и др.) разрушаются при удлинении 1-3%. На по следних стадиях нагружения у нек-рых армированных полимеров появляется высокоэластич. деформация. Высокоэластич. модуль ниже модуля упругости поэтому диаграмма деформации в этом случае имеет тенденцию отклоняться к оси абсцисс.

Упругие свойства. В упругой области напряжение и деформация связаны ко эффициентом пропорцио нальности. При растяжении с = = Еб, где Е - т. н. модуль нор мальной упругости, численн< равный тангенсу угла наклона прямоли нейного участка кривой с - с(6) к oc. деформации (рис. 2). При испытании

Рис. 2. Типичная диаграмма деформации при растяжении конструкционных металлов.

напряженному состоянию соответствуе трёхосное деформированное состояние (приращение длины в направлении деиствия приложенных сил и уменьшение линейных размеров в двух других взаимно

в пределах упругости для осн. конструкций материалов колеблется в довольно узких пределах (0,27-0,3 для сталей, 0,3-0,3 для алюминиевых сплавов). Коэффициент Пуассона является одной из осн. рас чётных характеристик. Зная м и Е можно расчётным путём определить

t, G и м пользуются тензометрами Сопротивление пластической деформации. При нагрузках Р>Р_енаряду со всё возрастающей упругой деформацией появляется заметная необратимая не исчезающая при разгрузке пластич. деформация. Напряжение, при к-ром остаточная относит, деформация (при растяжении - удлинение) достигает заданной величины (по ГОСТ-0,2% ), наз. условным пределом текучести и обозначается бо,2= Pт/Fв . Практически точность совр. методов испытания такова, что бп и бв определяют с заданными допусками соответственно на отклонение от закона пропорциональности [увеличение ctg (90 - а) на 25-50% и на величину остаточной деформации (0,003-0,05%) и говорят об условных пределах пропорциональности и

менное сопротивление (предел прочности) материала. При наличии максимума на кривой растяжения в области нагрузок, лежащих на кривой левее в, образец деформируется равномерно по всей расчётной длине /о, постепенно уменьшаясь в диаметре, но сохраняя начальную цилиндрич. или призматич. форму. При пластин, деформации металлы упрочняются, поэтому, несмотря на уменьшение сечения образца, для дальнейшей деформации требуется приклады-

ризует сопротивление металлов пластической деформации. На участке диаграммы деформации правее в форма растягиваемого образца изменяется: наступает период сосредоточенной деформации, выражающейся в появлении "шейки". Уменьшение сечения в шейке "обгоняет" упрочнение металлов, что и обусловливает паде-

У многих конструкц. материалов сопротивление пластич. деформации в упру-го-пластич. области при растяжении и сжатии практически одинаково. Для нек-рых металлов и сплавов (напр., магниевые сплавы, высокопрочные стали) характерны заметные различия по этой характеристике при растяжении и сжатии. Сопротивление пластич. деформации особенно часто (при контроле качества продукции, стандартности режимов тер-мич. обработки и в др. случаях) оценивается по результатам испытаний на т в ё р-д о с т ь путём вдавливания твёрдого наконечника в форме шарика (твёрдость по Бринеллю или Роквеллу), конуса (твёрдость по Роквеллу) или пирамиды (твёрдость по Виккерсу). Испытания на твёрдость не требуют нарушения целостности детали и потому являются самым массовым средством контроля механич. свойств. Твёрдость по Бринеллю (НВ) при вдавливании шарика диаметром D под нагрузкой Р характеризует среднее сжимающее напряжение, условно вычисляемое на единицу поверхности шарового отпечатка диаметром d:

Характеристики пластичности. Пластичность при растяжении конструкц. материалов оценивается удлинен и-

высота образца), при кручении - яв-

Характеристики разрушения. Разрушение происходит не мгновенно (в точке к), а развивается во времени, причём начало разрушения может соответствовать какой-то промежуточной точке на участке вк, а весь процесс заканчиваться при постепенно падающей до нуля нагрузке. Положение точки к на диаграмме деформации в значит, степени определяется жёсткостью испытат. машины и иннер-ционностью измерит, системы. Это делает величину S_Kв большой мере условной.

Многие конструкц. металлы (стали, в т. ч. высокопрочные, жаропрочные хромоникелевые сплавы, мягкие алюминиевые сплавы и др.) разрушаются при растяжении после значит, пластич. деформации с образованием шейки. Часто (напр., у высокопрочных алюминиевых сплавов) поверхность разрушения располагается под углом примерно 45° к направлению растягивающего усилия. При определ. условиях (напр., при испытании хладноломких сталей в жидком азоте или водороде, при воздействии растягивающих напряжений и коррозионной среды для металлов, склонных к коррозии под напряжением) разрушение происходит по сечениям, перпендикулярным растягивающей силе (прямой излом), без макропластической деформации.

Прочность материалов, реализуемая в элементах конструкций, зависит не только от механич. свойств самого металла, но и от формы и размеров детали (т. н. эффекты формы и масштаба), упругой энергии, накопленной в нагруженной конструкции, характера действующей нагрузки (статич., динамич., периодически изменяющаяся по величине), схемы приложения внешних сил (растяжение одноосное, двухосное, с наложением изгиба и др.), рабочей темп-ры, окружающей среды. Зависимость прочности и пластичности металлов от формы характеризуется т. н.чувствительностью к надрезу, оцениваемой обычно по отношению пределов прочности

(у цилиндрич. ооразцов надрез ооычно выполняют в виде круговой выточки, у полос - в виде центр, отверстия или боковых вырезов). Для мн. конструкц. материалов это отношение при статич. нагрузке больше единицы, что связано со значит, местной пластич. деформацией в вершине надреза. Чем острее надрез, тем меньше локальная пластич. деформация и тем больше доля прямого излома в разрушенном сечении. Хорошо развитый прямой излом можно получить при комнатной темп-ре у большинства конструкц. материалов в лабораторных условиях, если растяжению или изгибу подвергать образцы массивного сечения (тем толще, чем пластичнее материал), снабдив эти образцы спец. узкой прорезью с искусственно созданной трещиной (рис. 3). При растяжении широкого, плоского образца пластич. деформация затруднена и огоаничивается небольшой

штрихована), непосредственно примыкающей к кончику трещины. Прямой излом обычно характерен для эксплуатационных разрушений элементов конструкций.

Рис. 3. Образец со специально созданной в вершине надреза трещиной усталости для определения Kic. Испытания на внецентренное (а) и осевое (б) растяжение.

Широкое распространение получили предложенные амер. учёным Дж. Р. Ирвином в качестве констант для условий хрупкого разрушения такие показатели, как критический коэффициент интенсивности напряжений при плоской деформации Ki_c и вязкость разруше-

критич. моменту, когда нарушается устойчивое развитие трещины; трещина становится неустойчивой и распространяется самопроизвольно, когда энергия, необходимая для увеличения её длины, меньше энергии упругой деформации, поступающей к вершине трещины из соседних упруго напряжённых зон металла.

При назначении толщины образца t и размеров трещины 2/_тр исходят из

можно судить о склонности конструкц. материалов к хрупкому разрушению в условиях эксплуатации.

Для оценки качества металла весьма распространены испытания на ударный изгиб призматич. образцов, имеющих на одной стороне надрез. При этом оценивают ударную вязкость (в кгс-м/см²или Мдж/м²) - работу деформации и разрушения образца, условно отнесённую к поперечному сечению в месте надреза. Широкое распространение получили испытания на ударный изгиб образцов с искусственно полученной в основании надреза трещиной усталости. Работа разрушения таких образцов вту находится в целом в удовлетвооительном соответствии с такой

Временная зависимость прочности.

С увеличением времени действия нагрузки сопротивление пластич. деформации и сопротивление разрушению понижаются. При комнатной темп-ре у металлов это становится особенно заметным при воздействии коррозионной (коррозия под напряжением) или др. активной (эффект Ребиндера) среды. При высоких темп-рах наблюдается явление ползучести, т. е.

ца). Конечная ордината диаграммы деформации (точка к на рис. 2) характеризует сопротивление разрушению металла S_K, к-рое опреде прироста пластич. деформации с течением времени при постоянном напряжении (рис. 4,а). Сопротивление металлов ползучести оценивают условным пределом ползучести - чаще всего напряжением, при к-ром пластич. деформация за 100 ч достигает 0,2% , и обозначают его Сто,2/юо. Чем выше темп-pa t, тем сильнее выражено явление ползучести и тем больше снижается во времени сопротивление разрушению металла (рис. 4,6). Последнее свойство характеризуют т. н. пределом длительной прочности, т. е. напряжением, к-рое при данной темп-ре вызывает разрушение материала за заданное время (напп..

риалов температурно-временная зависимость прочности и деформации выражена сильнее, чем у металлов. При нагреве пластмасс наблюдается высокоэластич. обратимая деформация; начиная с нек-рой более высокой темп-ры развивается необратимая деформация, связанная с переходом материала в вязко-текучее состояние.

Рис. 4. Изменение механических свойств конструкционных материалов в функции времени (или числа циклов).

С ползучестью связано и др. важное ме-ханич. свойство материалов - склонность к релаксации напряжений, т. е. к постепенному падению напряжения в условиях, когда общая (упругая и пластическая) деформация сохраняет постоянную заданную величину (напр., в затянутых болтах). Релаксация напряжений обусловлена увеличением доли пластической составляющей общей деформации и уменьшением её упругой части.

Если на металл действует нагрузка, периодически меняющаяся по к.-л. закону (напр., синусоидальному), то с увеличением числа циклов N нагрузки его прочность уменьшается (рис. 4, в) - металл "устаёт". Для конструкц. стали такое падение прочности наблюдается до N = (2-5)-10⁶ циклов. В соответствии с этим говорят о пределе усталости конструкц. стали, понимая под ним обычно амплитуду напряжения

усталости алюминиевых, титановых и магниевых сплавов обычно не имеют горизонтального участка, поэтому сопротивление усталости этих сплавов характеризуют т. н. ограниченными (соответствующими заданному N) пределами усталости. Сопротивление усталости зависит также от частоты приложения нагрузки. Сопротивление материалов в условиях низкой частоты и высоких значений повторной нагрузки (медленная,

или малоцикловая, усталость) не связано однозначно с пределами усталости. В отличие от статич. нагрузки, при повторно-переменных нагрузках всегда проявляется чувствительность к надрезу, т. е. предел усталости при наличии надреза ниже предела усталости гладкого образца. Для удобства чувствительность к надрезу при усталости выражают отношением

характеризует асимметрию цикла). В процессе уставания можно выделить период, предшествующий образованию очага усталостного разрушения, и следующий за ним, иногда довольно длительный, период развития трещины усталости. Чем медленнее развивается трещина, тем надёжнее работает материал в конструкции. Скорость развития трещины усталости dl/dN связывают с коэфф. интенсивности напряжений степенной функ-

Различают сопротивление термической усталости, когда появляющиеся в материале напряжения обусловлены тем, что в силу тех или иных причин, напр, из-за формы детали или условий её закрепления, возникающие при циклич. изменении темп-ры тепловые перемещения не могут быть реализованы. Сопротивление термич. усталости зависит и от многих других свойств материала - коэффициентов линейного расширения и температуропроводности, модуля упругости, предела упругости и др.

Лит.: Давиденков Н. Н., Динамические испытания металлов, 2 изд., Л.- М., 1936; РатнерС. И., Разрушение при повторных нагрузках, М., 1959; Сервисен С. В., Когаев В. П., Ш н е и д е-р о в и ч P.M., Несущая способность и расчеты деталей машин на прочность, 2 изд., М., 1963; Прикладные вопросы вязкости разрушения, пер. с англ., М., 1968; Фридман Я. Б., Механические свойства металлов, 3 изд., М., 1974; Методы испытания, контроля и исследования машиностроительных материалов, под ред. А. Т. Туманова, т. 2, М., 1974. С. И. Кишкина.