Механические свойства

Механические свойства проявляются как способность материала сопротивляться всем видам внешних механических воздействий.

Механические воздействия характеризуют по направлению, длительностии области действия. По направлению механические воздействия можно рассматривать как линейные (растяжение и сжатие) и угловые (изгиб и кручение).

По длительности их разделяют на статические и динамические воздействия.

По области действия – на объемные и поверхностные воздействия.

Механические свойства определяют изменение формы, размеров и сплошности веществ и материалов при механических воздействиях, а следовательно,и результат практически любого механического воздействия на вещества и материалы, возникающего при их производстве и эксплуатации (использовании).

К основным механическим свойствам веществ и материалов относятся упругость, жесткость, эластичность, пластичность, прочность, хрупкость,вязкость и твердость.

Упругость – свойство материалов самопроизвольно восстанавливать своиформу и объем (твердые вещества) или только объем (жидкости и газы) припрекращении внешних воздействий. Упругость обусловлена взаимодействиеммежду атомами (молекулами) вещества и их тепловым движением.

Модуль упругости (модуль Юнга) характеризует меру жесткости материалов, т.е. его способность сопротивляться упругому изменению формы и размеров при приложении к нему внешних сил. Модуль упругостиЕсвязывает упругую относительную деформацию ε и одноосное напряжение σ соотношением,выражающим закон Гука:

ε = Ϭ / Е.

Существует прямая зависимость модуля упругости от вида и энергии химических связей, действующих между атомами и молекулами, данного материала. Материалы с высокой энергией межатомных связей характеризуется и

большим модулем упругости.

В качестве меры способности материалов или изделии изменять размеры иформу при заданном типе нагрузки используются понятия эластичность и жесткость.

Эластичность – способность материала или изделия претерпевать значительные изменения размеров и формы без разрушения при сравнительно небольшой действующей силе.

Жесткость – способность материала или изделия к меньшему изменениюразмеров и формы при заданном типе нагрузки: чем больше жесткость, темменьше изменения.

Пластичность – способность твердых материалов сохранять измененными форму и объем без микроскопических нарушений сплошности после снятиямеханических нагрузок, которые вызвали эти изменения. Пластическая деформация связана с разрывом некоторых межатомных связей и образованием новых.

Пластичность проявляется в деталях конструкций и сооружений, заготовках при обработке давлением (прокатке, штамповке и др.), в пластах земной коры. Пластичность определяет возможность технологических операций обработки материалов давлением. Учет пластичности позволяет определять запасыпрочности, деформируемости и устойчивости, расширяет возможности создания конструкций минимального веса.

Механическая прочность твердых веществ – свойство сопротивлятьсяразрушению (разделению на части), а также необратимому изменению формыпри механических воздействиях. Прочность твердых веществ обусловлена, вконечном счете, силами взаимодействия между составляющими их структурными единицами (атомами, ионами и др.)

Хрупкость – свойство твердых веществ разрушаться при механическихвоздействиях без существенных предварительных изменений формы и объема.

Хрупкость материалов следует рассматривать в связи с условиями их использования. Например, достаточно упругий материал – мрамор, хрупко разрушающийся при растяжении, в условиях несимметричного трехосного сжатияведет себя как пластичный материал.

Вязкость (внутреннее трение) – способность материалов сопротивлятьсядействию внешних сил, вызывающему:

– в твердых веществах – распространение уже имеющейся острой трещины(разрушение);

– в жидкостях и газах – течение.

Внутреннее трение в твердых телах, проявляется как способность необ-

ратимо поглощать энергию, полученную телом в результате внешнего воз-

действия, например, превращать в теплоту, сообщаемую механическую энер-

гию.

Вязкость жидкостей зависит от химического состава и строения молекул(макромолекул) и возрастает с увеличением молекулярной массы. Воз-

никновение в дисперсных системах или растворах полимеров пространст-

венных структур, образующихся при сцеплении частиц или макромолекул, вызывает резкое повышение вязкости.

Вязкость газов не зависит от их плотности (давления). Для очень раз-

реженных газов понятие вязкости теряет смысл.

Твердость – свойство материалов оказывать сопротивление в поверхностном слое контактному воздействию (вдавливанию или царапанью). Особенность этого свойства заключается в том, что оно реализуется только в небольшом объеме вещества. Твердость – сложное свойство материала, отражающееодновременно его прочность и пластичность.

При оценке механических свойств материалов их различают по группам,характеризующим условия испытаний:

1 – стандартные механические свойства, определяемые стандартнымииспытаниями стандартных (гладких) образцов вне зависимости от конструктивных особенностей и характера службы изделия;

2 – критерии конструктивной прочности (работоспособности в условияхэксплуатации) материала, определяемые стандартными испытаниями гладкихили с острыми трещинами образцов;

3 – критерии конструкционной прочности изделия в целом, определяемыепри стендовых, натурных и эксплуатационных испытаниях.

Предел прочности (временное сопротивление) σв– величина напряжения, соответствующего наибольшей нагрузке, приводящей к разрушению образца. Значение предела прочности, вообще говоря, зависит от характера и параметров деформации, а также от температуры, давления, наличия химическиагрессивной среды. Однако для практики важно, что существует почти постоянное предельное значение напряжения σв, выше которого образец разрушаетсяпрактически мгновенно.

Величина механических характеристик существенно зависит от таких

внешних и внутренних факторов, как химический состав материала, вид предшествующих воздействий (например, деформация), состояние поверхности,температура, наличие химически агрессивной среды и др. Так, при повышениитемпературы прочностные характеристики сильно снижаются, и предел текучести при температуре плавления стремится к нулю; чем ниже температура плавления сплава, тем при более низких температурах наступает резкое падениепрочности. Понижение температуры обусловливает переход от вязкого разрушения к хрупкому.