Механические свойства материалов.

Способность металла сопротивляться воздействию внешних сил ха­рактеризуется механическими свойствами. Поэтому при выборе металла для изготовления деталей машин необходимо знать его механические свойства: прочность, упругость, пластичность, ударную вязкость и вынос­ливость. Эти свойства определяют по результатам механических испыта­ний. при которых металлы подвергаются воздействию внешних сил (на­грузок). Внешние силы могут быть статическими, динамическими или циклическими (знакопеременными).

В зависимости от вида нагружения (растяжения, сжатия, изгиба, кру­чения. среза) и условий воздействия (температуры, скорости, периодично­сти и времени приложения) материалы принято характеризовать различ­ными мерами сопротивления их деформации и разрушению — характери­стиками механических свойств.

Механические свойства могут быть разделены на три основные груп­пы.

Первая группа содержит комплекс характеристик, определяемых при однократном кратковременном нагружении. К ним относятся упругие свойства: модуль нормальной упругости Е, модуль сдвига и коэффициент Пуассона μ.

Сопротивление малым упруго-пластическим деформациям определя­ется пределами упругости — σ_упр, пропорциональности — σ_пц и текучести — σ_0,2.

Предел прочности — σ_в, сопротивление срезу — и сдвигу — τ_сдв, твер­дость вдавливанием (по Бринеллю) НВ и царапанием (по шкале Мооса), а также разрывная длина L_p являются характеристиками материала в области больших деформации вплоть до разрушения.

Пластичность характеризуется относительным удлинением δ и относи­тельном сужением ψ после разрыва, а способность к деформации ряда не­металлических материалов — удлинением при разрыве δ_р.

Кроме того, при ударном изгибе определяется ударная вязкость образ­ца с надрезом KCU (KCV, КСТ).

Вторая группа включает параметры, оценивающие сопротивление ма­териалов переменным и длительным статическим нагрузкам. При повтор­ном нагружении в области многоцикловой усталости определяется предел выносливости на базе 10⁷-2-10⁷ циклов. Малоцикловая усталость опреде­ляется от многоцикловой условно выбранной базой испытания (N > 5-10⁴ циклов) и отличается пониженной частотой нагружения (f = 0,1-5 Гц).

Сопротивление малоцикловой усталости оценивается по долговечно­сти при заданном уровне повторных напряжений или пределом малоцик­ловой усталости на выдранной базе испытаний.

Сопротивление длительным статическим нагрузкам определяется, как правило, при температуре выше 20 °C.

Критериями сопротивления материалов длительному воздействию по­стоянных напряжений и температуры являются пределы ползучести σ_0,2 и длительной прочности σ_τ. Предел длительной прочности определяется при заданной базе испытаний (обычно 100 и 1000 часов), предел ползучести — по заданному допуску на остаточную (обычно 0.2%) или общую деформа­цию при установленной базе испытаний.

Третью группу составляют характеристики разрушения. В инженер­ной практике эти характеристики используются сравнительно недавно.

Характеристики разрушения определяются на образцах с заранее выращенными начальными трещинами и оцениваются следующими основны­ми параметрами: вязкостью разрушения, критическим коэффициентом ин­тенсивности напряжений при плоской деформации K_1С, условным критиче­ским коэффициентом интенсивности напряжений при плосконапряженном состоянии К_С, удельной работой образца с трещиной КСТ и скоростью рос­та трещины усталости СРТУ при заданном размахе интенсивности напря­жений ΔК.

Среди механических свойств только упругие свойства металлических материалов являются структурно нечувствительными характеристиками, связанными с параметрами кристаллической решетки и практически не за­висящими от режимов термомеханической обработки, если последние не вызывают полиморфных превращений. Для практически изотропных поликристаллических металлических материалов упругие константы связаны соотношением Е = G (1 + μ). Упругие свойства определяют при статиче­ских испытаниях (Е_ст, G_ст) или динамическим методом (Е_дин, G_дин) по ре­зонансной частоте колебаний тонкого стержня равномерного сечения под действием малых напряжений. Значения упругих констант, определенных обоими методами, при температуре 20 °C и близких к ней практически одинаковы. С повышением температуры при статических испытаниях ска­зывается влияние деформации ползучести, вследствие чего этот метод дает прогрессирующее понижение значений упругих констант относительно данных, полученных динамическим методом.

Все другие механические свойства в большей или меньшей степени структурно чувствительны и анизотропны. Резкая анизотропия упругих и других механических характеристик присуща многим неметаллическим материалам, что определяется их ориентированным строением. Некоторая анизотропия свойственна и большинству металлических материалов. Уро­вень прочности, пластичности, выносливости и характеристик разрушения в продольном направлении относительно оси деформации зерен материала обычно выше, чем в поперечном. Однако для некоторых, например тита­новых сплавов характерна «обратная» анизотропия. Наблюдается значи­тельная разница в пределах текучести при растяжении и сжатии у боль­шинства магниевых деформируемых сплавов (σ_{0,2 СЖ}^<< σ_0,2).

Между некоторыми характеристиками механических свойств экспе­риментально установлены зависимости, позволяющие с достаточной сте­пенью точности оценивать предел прочности материалов по значениям твердости, а сопротивление срезу — по пределу прочности. Существуют также корреляционные связи между пределом выносливости и пределом прочности, а также между различными характеристиками разрушения.