Механические свойства

Механические свойства и их показатели учитываются при ха­рактеристике и оценке качества материалов или изделии, кото­рые подвергаются в процессе производства или эксплуатации сжимающим, растягивающим, изгибающим и другим воздействи­ям. От механических свойств зависит назначение материала н изделия, их надежность. На материал при механической обра­ботке или изделия при эксплуатации действуют различные внеш­ни; силы — нагрузки.

Нагрузки различают по площади приложения, по времени н •харакгсру воздействия.

По площади приложения нагрузки бывают распределенные и сосредоточенные. Распределенные нагрузки действуют на всю поверхность образца, сосредоточенные—на ограниченный учас­ток, вызывая при этом высокое давление, что часто приводит к разрушению материала или изделия (прокол иглой, вбивание гвоздя).

Каждый материал способен выдержать без разрушения опре­деленное давление (номинальное). Давление, которое материал испытывает при эксплуатации, называется фактическим; оно в несколько раз меньше поминального. Нагрузки, которые действу­ют на материал, характеризуются силой, приходящейся на еди­ницу площади, и выражаются в Паскалях (Па).

По времени действия нагрузки бывают периодические ч пос­тоянные. Так, подвесное устройство люстры испытывает постоян­ную нагрузку, а на образец металла при испытании на изгиб действует периодическая нагрузка. Различают однократные и

многократные периодические нагрузки. Полос опасны нагрузки многократные и особенно знакопеременные (т. е. изменяющие свое направление). Oiri бывают с асимметричным и симметрич­ным циклом. Многократные нагрузки испытывает. например, обувь при ходьбе.

По характеру воздействия нагрузки делятся на статические н динамические. Статические нагрузки действуют постепенно. без толчков и ударов, не вызывая заметного ускорения частиц тела. Нагрузка, которая действует на материал мгновенно, толч­ками, сообщая заметные ускорения частицам тела, называется динамической. Такие нагрузки чаще приводят к преждевремен­ному разрушению изделия. При изучении вида нагрузок, поведе­ния материалов и изделий руководствуются природой, назначе­нием н условиями службы изделия.

Прочность—одно из основных механических свойств. Как из­вестно, под действием нагрузки в материале возникают внутрен­ние напряжения, значения которых являются мерой сил унрую-стп материала и численно равны отношению нагрузки к единице площади. Нагрузка, при которой материал разрушается, называ­ется разрушающей. Показателем, характеризующим прочность материала, является разрушающее напряжение (предел прочно­сти), Разрушающее напряжение (oii, Па) —это отношение мак­симальной нагрузки, предшествующей разрушению (р]„ 11) к первоначал!, ной площади поперечного сечения образца (So, м^). Вычисляют его по формуле

Прочность материала зависит от его структуры н пористости. Материалы, имеющие линейное расположение частиц и мень­шую пористость, более прочные.

Деформация. Материалы н изделия под действием нагрузок претерпевают различные изменения—деформируются. Структу­ра. размеры и форма тела изменяются вследствие изменения рас­стояния между отдельными точками или частицами.

Деформация материала зависит от величины и вида нагруз­ки, внутреннего строения, формы н характера расположения от­дельных частиц, сил межмолекуляриого и межатомного сцепле-ии». Она обусловлена "змсненнями в строении н расположении молекул, происходящими под действием внешних с'!,!,

Дгйстнию внешних сил на материал сопротивляются внутрен­ние силы, называемые силами упругости. Or соотношения инсш-bhi сил и сил упругости зависят величина и характер лсфоома-йии материала. Если внешние силы провоем, hit силы унру:'осгн. til гпнзь между отдел:.:iriM!] элсмсн га.м;; осл:;'|.':;ь'тсч и матер;;;] 1 ?<Ч1)\-Н[ается.

Деформации быи.чюг обратимые н iico6p-i гммыс (ii.b'icTinc-<*Ж). При обратимой деформации исрвон.пплыюе состояние и ((ДШСры тела полностью восстанавлиьаются после снятия и;1-

грузкн. Деформация счнтзсгся необратимой, если тело после сня­тии нагрузки не иозв,);! шлется ч первоначальное состояние. f^ur.o -к^юпмацпя тела равна сумме двух деформаций:

Обратимая деформация бывает упругой и эластической. При упругой деформации исходные размер!.] тела восстанавливаются после снятия нагрузки мгновенно, со скоростью звука. Эластиче­ская деформация исчезает медленнее; oh.i устанавливается в те­чение определенного времени и считается условно-упругой.

Упруг.ш деформация обуслов-;;,,...;.... ; лсч|а упругими изменениями кри­сталлической рсшс-ткн, она прямо ]1ро|]1)|>ц||0||;|Л|>н:| приложенной 'i "l нагрузке и подчиняется закону >^\ 1 Гука. При упругой деформации 1 J изменяются межатомные расстоя-• ~^ ния без изменения порядка рас-1 !\ положения частиц. Частицы тела

удаляются or равиоцссиого состояния в пределах действия внут­ренних сил.

При эластической деформации форма и размеры тела после снятия нагрузки восстанавливаются в течение длительного вре­мени. Эластическая деформация характеризуется распрямлени­ем длинных молекул, их размером и расположением в материале (в виде спирали, клубка и т. д.).

При необратимой деформации происходит смещение одних элементарных частиц но отношению к другим, например вдоль кристаллографических плоскостей.

В каждом материале проявляются различные виды деформа­ции, в одном случае больше проявляются упругие и эластические (резина), в другом — пластические (глина), Так, г.ри удлинении подокна шерсти uoc'ic снятия нагрузки наблюдаются нес виды деформации; ниачалг только упругая, затем эластическая н пла­стическая (рис. Г).

Полная ДСф|)рМ,1Ц11Я р;Ь'СЧНТЫ11;и.'ТСЯ КПП СУММ;! Т|)СХ ВИДОВ

Материалы, и которы\ нрчянлясга] и ос.гжнчм \н])уг;|ч де­формация н ничтожно малы другие виды деформации, н;1зыиаюг-ся упругими. Если же малы упругие дс1|)ч|1М;]Ц.1Н, материал на­зывается пластическим.

Ьолыной интерес представляет деформация полимерных ма­териалов, которая обусловлена перемещением структурных эле­ментов систем макромолекул и их агрегате». имеющих ценсоб-разпую форму упорядоченной (кристаллической) и неупорядо­ченной структур. Приложенное усилие передастся вначале ii.i участки проходных цоиен, которые оказываются и более напря­женном состоянии, а затем на область упорядоченной структуры. При этом общая деформация складывается из трех составляю­щих: упругой, высокоэластической и пластической. Последняя имеет необратимый характер. Упругая деформация, обусловлен­ная изменением межатомных и межмолекулярных расстоя­нии, после снятия нагрузки исчезает мгновенно. Высоко^ластнчс-ская деформация, происходящая без изменения межатомных расстояний и валентных углов, развивается н исчезает во време­ни. На практике важно знать, каковы соотношения условно-упру­гой и остаточной деформаций и их природу. Для этого высоко­эластическую деформацию делят на две части — на исчезающую после снятия нагрузки мгновенно' и исчезающую в течение более

ч •t,<TP lll.llnro ППГМСНН:

В процессе эксплуатации в материале в результате воздейст­вия внешних сил могут проявляться такие виды деформации. как растяжение, сжатие, изгиб, сдвиг и кручение (чаще всего они проявляются комплексно). Исходя из этого показателями ме­ханических свойств являются соответственно прочность на сжа­тие, на растяжение, изгиб, сдвиг, кручение и т. л.

Деформации растяжения (рис. 3) имеют большое значение при оценке качества многих материалов и изделий: тканей, ко­жи, одежды, обуви, строительных материалов и др. При испыта­нии на растяжение, помимо разрушающего напряжения (преде­ла прочности), можно определить ряд других показателен, име­ющих важное практическое .значение: абсолютное н чгноснтгл',-иое удлинение н сужение, прпсл iipoiiiipuHoiri.'ii.'iocTli, прслс 1 текучести, модуль упругости и др. Значения некоторых ш нпч 11 с r.'i а мент up у юте я ГОСТами.

По '-/гнм показателям можно суд.пь л рс/кп\к' n ;; 'iroHAcii,!:' изделий и их поведении при эксплуатации.

3" (i7

Коли брус длиной lo il поперечным сечением 1) одним концом закрепить неподвижно, а к другому концу приложить усилие, то происходит удлинение бруса lo и сужение бруса bi. Величина Л1 называется абсолютным удлинением и определяется как раз­ность между длиной бруса после растяжения и его первоначаль­ной длиной.

Отношение абсолютного удлинения к первоначал!.iioii длине называется относительным удлинением е и вычисляется и нро-неьтях по (ьопму-лр

материалов условно делят на условно-упругое и остаточное (ус­ловно-пластическое) — см. рис. 3.

После снятия нагрузки длина бруса обычно больше, чем до испытания, ни меньше, чем но окончании растяжения. Величина Л1у=1],—]у .характеризует упругое удлинение, а Л1ост=1у—lo— остаточное удлинение (см. рис. 3). В сумме эти удлинения так же, как и относительное их значение, всегда равны полному уд-

Этн показатели учитываются при характеристике долговеч­ности материала и готовых изделий- Материалы с большим об­ратимым удлинением более долговечны. Полное удлинение ха­рактеризует выносливость и способность материалов сопротив-

liS

иться внешним усилиям. Более выносливым и долговечным яв-лягтся материал с большим удлинением.

На рис. 4 показана кривая растяжения. Участок О—А выра­жает прямолинейную зависимость между нагрузкой и абсолют­ным удлинением: материал при растяжении подчиняется закону Гука. Напряженно, вычисленное по нагрузке в точке А, характе­ризует предел пропорциональности, т. е. прочность материала в интервале упругости. Па участке Л-—В в материале проявляют­ся незначительные остаточные деформации (значения которых для некоторых материалов нормируется ГОСТом—ПП1—0 пп^

разрушающее напряжг- Гпс. 5. Диаграмма растяжения и раз. line, которое неодинаково грузки материала для разных материалов.

Различные материалы неодинаково ведут себя при растяже­нии, что позволяет сулить о специфике их свойств, обусловленных строением, характером приложенной нагрузки и скоростью ее унеличсння, а также формой и размерами образцов.

На поведение материала существенно влияют размеры и фор­ма образцов, а также скорость увеличения нагрузки и условия среды. При большой длине образцов заметнее проявляются вли­яние неравномерности материала и его релаксационные особен­ности, поэтому показатели механических свойств материала мо­гут искажаться.

Под релаксацией понимается снижение напряжения и дефор­мации в деформируемом теле. связанное с переходом частиц и равновесное состояние. Явление релаксации необходимо учиты-катп при технологической обработке магери.моц и изучении внут­ренних напряжении в изделиях.

Па диаграмме растяжения и разгрузки упругого материала (рис. 5) видно, что при одних и тех же значениях нагрузки де­формация не одинакова. При разгрузке наблюдается несколько

большее удлинение материала, чем при нагружеппи. Кривая раз-гружсиия ц этом случае не совпадает с кривой иагружгния. Ре­лаксация сопровождается явлением гистерезиса, или запаздыва­ния. При этом образуется петля гистерезиса. Площадь петли гис­терезиса характеризует затраты энергии на нагрев материала и преодолении сил трения между отдельными частицами при пере­ходе их в первоначальное состояние. Для упругих материалов петля гистерезиса имсег вид замкнутой кривой.

lc.'ih тело upu растяжении получает пластические деформа-ци:', то потеря энергии необратима, и при каждом повторном на-груженнн начало кривой растяжения перемещается нз одной точ­ки .1 другую. При этом повышается жесткость и уменьшается пластичность материала.

Все это необходимо учитывать при выборе материала для изготовления изделий.

Заметное влияние на пластические свойства оказывает темпе­ратура. Например, при повышении температуры понижаются мо­дули упругости металлов, возрастают деформации, более резко проявляются релаксационные свойства. Поэтому эластическую деформацию можно подразделить на два вида: с большой ско-рос'1 ыо релаксации и с малой скоростью релаксации. Первая из них исчезает быстро, вместе с истинно упругой деформацией она составляет условно-упругую деформацию. Эластическая дефор­мация с малой скоростью релаксации исчезает медленно; вместе с пластической деформацией она составляет остаточную дефор­мацию.

.Удлинение гигроскопичных материалов возрастает с увеличе­нием их влажности. Влажность влияет и на ориентацию волокон магериала, изменение взаимной связи между ними. что вызывает увеличение или снижение прочности. Поэтому условия стандарт­ных испытаний материалов и готовых изделий должны быть пос­тоянными и обязательными во всех случаях.

Многие материалы условно делят на хрупкие и пластичные (вязкие). Пластичные материалы разрушаются при большой ос­таточной деформации, хрупкие—при очень малой. Хрупкие ма­териалы плохо сопротивляются ударам, растяжению н лучше сжатию. Разрушающее напряжение их при растяжении значи­те.'!].но ниже, чем у пластичных материалов.

Хрупкие .материалы и изделия из них в отличие от пластич­ных очень чувствительны к местным напряжениям, их форму трудно исправить. При соответствующих условиях (температуре. давлении) хрупким материалам можно придать пластичность нлп упругость (поэтому лучше говорить о хрупком нлн пластиче­ском состоянии материалов).

Показателем, характеризующим способность материала упру­го сопротивляться деформации, является Mochf.ih ипрцгостп. Он н]ч';1станляст собой расчетное напряжение, при котором упругое абсолютное удлинение re,ia рацио иершжачалыюи длине. По за­кону Гука получаемое удлинение пропорционально напряжению.

Модуль упругости характеризует то напряжение, когорое воз­никает в материале при удлинении ею и два раза.

Модуль упругости характеризует жесгкость материала. Чем нише жесткость материала, тем меньше он деформируется. Аб­солютное удлинение i'ем больше, чем выше разрушаю^цая нагруз­ка н длина образца, и гем меньше, чем больше модуль упругости И площадь поперечного сечения. Модуль упругости различных материалов не однозначен.

Разрывная длини •- это минимальная длина, при которой ма­териал разрушается йод действием собственной массы, т. с. когда напряжение материала становится равным разрушающему на­пряжению.

Разрывная длина равна отношению разрушающего напряже­ния к плотности и не зависит от площади поперечного сечения образца. Этот показатель характеризует как свойства прочности, так н массу единицы объема материала. Чем прочнее н легче ма­териал, тем выше значение разрывной длины.

Разрывная длина является комплексным показателем и учи­тывается при оценке качества ниток, тканей, канатов, тросов, проьолокн и других товаров. Разрывная длина алюминия —

•I- 6 км, меди — 2—5, стали — 5—20, хлопка-волокна — 28—30, тетка — 30—40, капрона — GO—65 км.

Деформации сжатия важны для хрупких материалов (чугуна, сггкла и др.). Их можно рассматривать так же, как деформации рлсгяжсиия, но с обратным знаком. В отличие от растяжения при деформации сжатия увеличиваются поперечные размеры и учшыпастся длина образца. Основной показатель деформации сжатия— разрушающее напряжение, вычисляемое по той же фиимулс, что н при растяжении. Некоторые материалы (кирпич, иг.мснт и др.) по этому показателю делятся па марки. Хрупкие магерпалы разрушаются внезапно, без остаточных деформаций. Г1-''1стическис материалы разрушаются постепенно, характеризу-

•.roi большими остаточными деформациями.

Деформации изгиба имеют наибольшее значение при оценке kJ icCTiia одежды, обуви, строительных материалов.

1-сли на середину бруса, лежащего на двух опорах, дсйство-

•.аг, сосредоточенной нагрузкой, то в выпуклой части наблюда-

•<1.-л деформации растяжения, а в вогнутой—деформации сжа-»и«. .реформация изгиба характеризуется стрелой прогиба. При »»"ы напряжения сжатия в вогнутой части бруса постепенно \ усж.шаются до нейтрального слоя, it котором не наблюдается

••*'лм)\ напряжений. Ниже этой линии вофасгают напряжения (исгпжеппя. Величина напряжении растяжения н сжатия запи-cxr or величины изгибающего момента, модуля упругости матс-{»«t.f:i. места расно 'южсния и удаления определенной точки оу ««^тральной линии и от радиуса кривизны. Деформация н слое, XtKIi'MllleM от нейтральной линии, прямо нронорцион;1ЛЫ|;1 этому ^исстонншо н обратно пропорциональна радиусу кривизны иеит-у.нного слоя.

^ели слой имеет большую толщину, а радиус кривизны мал, иоз!;икают большие напряжения и материал разрушается.

Напряжения, возникающие в материале, выражаются отно­шением момента изгиба к моменту сопротивления

Этот ноказатсл!, используется для характеристики поведения кожи, резины п других материалов в условиях многократного изгиба, и том числе знакопеременного. Важно установить, как полно восстанавливастсялюрвоначалыюе сечение материала пос­ле снятия нагрузки.

Деформации сдвиги проявляются в местах соединении дета­лен, когда две равные силы действуют и противоположном нап­равлении и расположены в двух близких поперечных сечениях. Деформация сдвига определяется величиной угла т. Если сдвиг часгиц тела происходит в одной плоскости, то деформация назы­вается срезом. Деформация сдвига частично связана с деформа­циями кручения и изгиба и, как правило, предшествует срезу. Величина, на которую сечение сместилось относительно соседне­го, называется абсолютным сдвигом.

Деформация кручения наблюдается в текстильных волокнах при производстве пряжи, ниток, канатов, при ввинчивании вин­та •л т. д. Если к стержню, один конец которого закреплен не­подвижно, приложит!, пару сил с моментом М, действующим в плоскости, перпендикулярной оси стержня, то стержень будет испытывать деформацию кручения. При повороте стержня на оп­ределенный угол новое положение займут и точки па прямой. При этом напряжения в определенной точке стержня пропорци­ональны ее расстоянию до центра сечения. В точках, равноуда­ленных от центра, напряжения одинаковы. По мере удаления точки или слоя от центра напряжения возрастают.

Напряжение на поверхности стержня (oii) зависит от рассто­яния точки до центра (р, мм) ч радиуса поперечного сечения об­разца (г, мм).

При р=-.--0, oii^O напряжения по липни оси стержня отсутст­вуют. По мере удаления точки от центра к поверхности стержня напряжения возрастают по закону прямой, что позволяет без ущерба для прочности использовать, например, пустотелые де­тали. Ue.'iii тело состоит из множества отдельных волокон, ни­тей или проволок (пряжа, тросы, канаты), то деформации при кручении имеют сложный характер. Наибольшие напряжения при этом испытывают поверхностные слон материала и мень­шие -— внутренние.

Усталости.'! прочность имеет важное значение при выборе материалов для производства изделий, которые подвергаются многократным пагш" и'ам, а также при определении сроков сл\'ж-ш,[ •iKanei'i, одежды. ni'ivini, Папбо ice велико влияние на матери­ал Miioi ократных naipv юк, особенно зпакпнерсмгпных. Под дей­ствием этих нагрузок вначале увеличивается удлпиеиие, постс-ненпо снижается прочность, а затем ма герца,ч разрушается. Не­редко появляются трещины, проникающие в глубь изделия, и 72

другие повреждения. При длительном попеременном нагруженин постепенно уменьшаются эластические деформации и во.чрастаю'1 жесткость и хрупкость материала.

При малой нагрузке материал выдерживает большее число циклоп. При увеличении нагрузки разрушение материала насту­пает при меньшем числе циклов нагружения (рис. 6). Показате­лем предела усталости является то напряжение, при котором магериал выдерживает достаточно большое число циклов нагру­зок без разрушения. Усталостная прочность может характсри-

Рис. G. Диаграмма устзлостиои прочности

Усталостную прочность характеризуют также показатели вы­носливости и долговечности. Под выносливостью понимается число циклов деформации до разрушения, а под долговеч­ностью—время с начала деформации до момента разрушения. Время от момента приложения напряжения до момеига разру­шения тем больше, чем меньше это напряжение. Здесь наблю­дается линейная зависимость.

Долговечность материала зависит также от температуры, с повышением которой она уменьшается. При этом происходит де­струкция тела за счет возросшего теплового движения, способст­вующего преодолению сил сцепления между отдельными атома­ми. Внешняя нагрузка придаст лини. напранлеиность процессу разрушения.

Разрушение твердых тел, но данным акад. С. П. /Куркова, представляет собой термофлуктуаниониыи процесс, активизиро­ванный механическим напряжением. Зависимость долговечности (т) от температуры и величины приложенной силы может быть finnefie-rif'H.'i по (ьппмулс

где то—постоянна;', близкая к периоду собственных тепловых колебаний атомои;

I — длина образца.

ud —энергия активизации разрываемых связей в данном ма­териале;

у —коэффициент, учитывающий природу н структуру ма­териала (и месте разрыва);

сг — напряжение;

к —постоянная Больцмапа;

Т --абсолютная температура образца. При непытаипп материалов па растяжение и сжатие опреде­ляется так называемое предельно опасное состояние материала, которое характеризуется появлением текучести, значительными оста гочным н деформациями, :i иногда и образованием трешпп. При этом напряжения в хрупких материалах равны пределу прочности, и пластичных — пределу текучести.

Ючка, в которой возникает самое большое напряжение, на­зывается опасной. Чтобы избежать разрушения материала, при расчете исходят пз так называемого допустимого состояния, ко­торое соответствует нагрузке, полученной делением нагрузки, вызывающей опасное состояние, на коэффициент запаса. Значе­ние коэффициента запаса больше единицы и зависит от ряда факторов.

Твердость—способность материала сопротивляться проник­новению в него другого, более твердого тела. Твердость—это местная прочность па вдавливание, которую можно характери-зопать (но Ребнидсру П. Л.) как работу, затраченную на обра­зование единицы новой поверхности.

Твердость материала зависит от природы, характера его строения, геометрической формы, размеров н расположения ато-моц, а также от сил межмолскулярного сцепления. Твердость имеет практическое значение при оценке качества металличе­ских, фарфоровых, фаянсовых, каменных, древесных, пластмас­совых и других изделий. От твердости зависит область исполь­зования изделии, поведение их в процессе эксплуатации и сох­ранение внешнего вида.