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 – τ_ср и сдвигу – τ_сдв, твердость вдавливанием (по Бринеллю) НВ и царапанием (по шкале Мооса), а также разрывная длина L_Р 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 КСU (KCV, KCT).

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 выбранной базе испытаний.

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

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 К_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 ºС 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.