Механические свойства

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.

Материалы могут подвергаться следующим видам воздействий:

растяжению, сжатию, изгибу, кручению или их совместному действию.

Характеристики механических свойств в зависимости от способа осуществления испытательного цикла (нагрузка – разгрузка – отдых) делят на:

- полуцикловые, получаемые при однократном действии части цикла (нагрузки);

- одноцикловые, при однократном действии полного цикла;

- многоцикловые, после многократных воздействий полного цикла.

Каждая из характеристик может быть получена без разрушения или с разрушением испытуемого образца.

Характеристики механических свойств определяются при статических (при медленном возрастании нагрузок), динамических (при больших скоростях деформирования) и циклических (многократно повторяемых) воздействиях.

В соответствии с характером действующих нагрузок различают статические, динамические и усталостные испытания.

Испытания на усталость проводят при многократном приложении к образцу изменяющихся нагрузок.

Рис. 1 Способы деформирования материала: а - растяжение, б- сжатие; в - изгиб; г - кручение; д - срез; е - вдавливание  

Образцы могут подвергаться одноосному, двухосному и многоосному растяжению.

Рис. 2 Способы растяжения материалов:

а - одоосное; б, в - двухосное

Деформация – изменение размеров и формы материала под действием приложенных сил (внешних и внутренних – изменение объема из-за теплового расширения).

Упругая деформация – исчезает после снятия нагрузки.

Упругость – свойство материала восстанавливать первоначальную форму после снятия нагрузки.

Высокоэластическая деформация – медленно исчезает после снятия нагрузки.

Эластичность – способность материала или изделия испытывать значительные упругие деформации без разрушения при сравнительно небольшой действующей силе.

Пластическая (остаточная) деформация – сохраняется после снятия нагрузки.

Пластичность — свойство металла деформироваться без разрушения под действием внешних сил и сохранять новую форму после прекращения действия сил.

Хрупкость – свойство материала разрушаться без заметного поглощения механической энергии в необратимой форме.

Материалы делят по их остаточным деформациям на пластичные (металлы до 25%) и хрупкие (не превышает 2-5%).

Пластичность имеет решающее значение для таких технологических операций, как штамповка, вытяжка, волочение, гибка и др. Мерой пластичности является удлинение ε при разрыве. Чем больше ε, тем более пластичным считается материал. К числу весьма пластичных материалов относятся отожженная медь, алюминий, латунь, золото, малоуглеродистая сталь и др. Менее пластичными являются дюраль и бронза бронза. К числу слабо пластичных материалов относятся многие легированные стали. Хрупкие – чугун, стекло, инструментальная сталь.

Деление материалов на пластичные и хрупкие условно потому, что 1) между теми и другими не существует резкого перехода в значениях ε; 2) в зависимости от условий испытания многие хрупкие материалы способны вести себя как пластичные, а пластичные — как хрупкие.

Очень большое влияние на проявление свойств пластичности и хрупкости оказывают скорость нагружения и температура. При быстром нагружении более резко проявляется свойство хрупкости, а при медленном — свойство пластичности. Например, хрупкое стекло способно при длительном воздействии нагрузки при нормальной температуре получать остаточные деформации. Пластичные же материалы, такие как малоуглеродистая сталь, под воздействием резкой ударной нагрузки проявляют хрупкие свойства.

Свойства материалов при растяжении (статические испытания)

Испытания проводятся на разрывных машинах.

По результатам испытания строится диаграмма растяжения (деформации) – в координатах «нагрузка – условное удлинение» или диаграмма условных напряжений

в координатах «напряжение – относительная деформация».

Рис. 3 Схема одноосного растяжения пробы материала: а, б - до и после растяжения; в - диаграмма растяжения

Абсолютное удлинение образца Δl – приращение начальной длины образца в любой момент испытания: Δl=l₁–l₀.

Относительное удлинение ε – отношение приращения длины образца к начальной длине образца, выраженное в процентах:

Относительное удлинение после разрыва ε^* – отношение приращения длины образца после разрыва к начальной длине образца, выраженное в процентах.

Рис. 4 График разрушения материала

Прочность – сопротивление материала деформации и разрушению.

Также прочностью называют максимальное значение силы, которое необходимо приложить к материалу для его разрушения.

Условное напряжение (σ):

,

Где Р – усилие, Н;

F ₀ – начальная площадь поперечного сечения образца, м² или мм². 1 Н/мм² = 1 МПа.

Временное сопротивление σ_в (предел прочности) – напряжение, соответствующее наибольшей нагрузке F_max, предшествующей разрушению образца:

.

Хрупкие материалы, типичным представителем которых является чугун, дают диаграмму растяжения следующего вида:

Рис. Диаграмма растяжения чугуна

Чугун разрушается внезапно при весьма малых деформациях, составляющих порядка (0,5-0,6)% от расчетной длины образца l₀. При испытании на растяжение хрупких материалов определяют, как правило, только максимальную нагрузку P_max.

Одноцикловые испытания при растяжении

Релаксация – процесс установления термодинамического равновесия в макроскопических физических системах: газах, жидкостях, твердых телах. Релаксационные процессы – процессы перехода системы из неравновесного в равновесное состояние. Выделяют следующие процессы релаксации:

- механическая – при воздействии на материал механических сил изучается релаксация деформации или напряжения и т.д.;

- электрическая – при воздействии электрических полей изучаются электрическая проводимость, диэлектрические потери и проницаемость;

- магнитная – при воздействии магнитных полей;

- структурная (тепловая) релаксация – при нагревании и охлаждении и наблюдении релаксации структуры материала теплофизическими методами в отсутствии силовых полей.

Релаксация деформации изучается при постоянном усилии. Первая половина цикла (нагружение) соответствует режиму ползучести, вторая – режиму уменьшения деформации.

Определяют следующие характеристики:

Полная деформация;

Составные части полной деформации: упругая часть полной деформации; высокоэластическая часть; пластическая часть;

время релаксации – характеризует продолжительность перехода системы в новое состояние (или время, необходимое для релаксации на определенную величину. Зависит от атомно-молекулярной подвижности (особенностей структуры материала);

доли деформаций от полной;

пластичность и упругость.

На рис. 5 приведен график кривой ползучести и релаксации деформации материалов, полученных при условии, что Р (s) = const.

Для определения составных частей полной деформации на кривых ползучести и релаксации находят характерные точки путем проведения касательных линий к кривой из точек А, D и K, определяя положение точек B, C, E и F, которые характеризуют переходные процессы в материалах. Для определения абсолютных величин деформаций из этих точек на ось ординат опускают перпендикуляры (рис. 5). Затем рассчитывают составные части полной деформации материала и их доли.

Рис. 5 График кривых ползучести и релаксации деформации материала при действии постоянной внешней силы (напряжения) и после прекращения ее действия.

Вычисление составных частей полной деформации и их долей по кривой релаксации деформации:

полная деформация:

e = 100%∙ D l₁/l;

быстрообратимая (условно-упругая) деформация:

e1= 100% (D l1 —D l 3)/ l;

медленнообратимая (условно-эластическая) деформация:

e2= 100% (D l 3— D l 4)/ l;

остаточная (условно-пластическая) деформация:

e3= 100%∙D l 4/ l;

доля быстрообратимой деформации:

De₁= e₁/e;

доля медленнообратимой деформации:

De₂= e₂/e;

доля остаточной деформации:

De₃= e₃/e,

De1+De2+De3= 1.

Критерием пластических свойств материалов является пластичность,%:

П = 100%∙(e3/e),

где e₃ — относительная остаточная деформация материала, %; e — относитель­ная полная деформация материала при приложении соответствующего усилия (напряже­ния).

Упругость материала, %, вычисляют по формуле:

У = 100 – П.

Механические свойства при сжатии

Для испытаний на сжатие применяются обычно образцы кубической формы или невысокие цилиндрические образцы с соотношением высоты к диаметру h_о/d_о= 1...3.

Для характеристики прочностных свойств материалов при сжатии применяются следующие показатели:

абсолютная деформация, мм:

D h = h - h₁,

где h и h₁ толщина пробы материала до и после деформирования соответственно;

относительная деформация, %:

e_с = 100× D h/h,

относительная деформация при разрушении, %:

e^*_с = 100× D h/ h,

где D h = h - h₂, h₂ - толщина пробы до и после разрушения;

предел прочности, МПа:

s^*_с = Р^* /F,

где F - площадь поперечного сечения пробы материала;

Остаточная деформация при сжатии:

e_о.с = 100×(h - h₁)/h₁.

Пластичность и упругость:

П = 100%∙(e_с/e_о.с),

У = 100 – П.

Рис.6 Схема траверсы для сжатия пробы материала

Рис. 7 Сжатие материала: а - стесненное; б - свободное

   

Сжатие пластичного материала

В процессе деформации образец принимает бочкообразную форму (из-за наличия сил трения на торцах образца) и может быть сплющен в тонкую пластинку, не обнаруживая признаков разрушения (рис. 1).

Рис.1 Диаграмма сжатия и характер разрушения образцов из малоуглеродистой стали

В некоторых случаях, при недостаточной пластичности материала, на боковой поверхности образца появляются мелкие трещины. Довести образец из пластичного материала до разрушения практически не удается. Следовательно, предел прочности (временное сопротивление) при сжатии пластичных материалов не может быть определен.

На практике схемы сжатия используют преимущественно в технологических пробах для оценки деформационной способности полуфабрикатов и изделий. С помощью проб по появлению трещин определяют годность или негодность материала после деформации сжатием на заданную величину.

Сжатие хрупкого материала (чугун)

Диаграмма сжатия при этом будет иметь вид, показанный на рис. 2.

На диаграмме сжатия отсутствует прямолинейный участок. Разрушение происходит внезапно при нагрузке Р_mах с появлением ряда наклонных трещин, направленных примерно под углом 45° к оси образца. При сжатии хрупких материалов и при их растяжении можно определить лишь предел прочности

Различие между диаграммами сжатия и растяжения чугуна заключается в том, что нагрузка, соответствующая пределу прочности при сжатии, в 3-5 раз превышает нагрузку, соответствующую пределу прочности при растяжении, т.е. чугун лучше сопротивляется сжатию, чем растяжению.

Рис.2 Диаграмма сжатия и характер разрушения образцов из чугуна

Сжатие анизотропного материала (дерево)

Из диаграммы видно, что образец, испытанный вдоль волокон (кривая 1), до разрушения претерпевает сравнительно небольшие деформации. После достижения наибольшего значения сжимающей силы Р_mах начинается разрушение образца с последующим падением нагрузки. В процессе разрушения дерево расслаивается, волокна отделяются одно от другого и переламываются, на боковой поверхности кубика образуются поперечные складки и продольные трещины.

Рис.3 Диаграмма сжатия и характер разрушения образцов дерева вдоль волокон

По результатам испытания определяется только предел прочности.

При испытании на сжатие поперек волокон диаграмма имеет другой характер (кривая 2). Сначала линия диаграммы идет по наклонной прямой до нагрузки Р_пц. Затем вычерчивается слабо изогнутая кривая (кубик быстро деформируется почти без увеличения нагрузки), которая, если древесина не имеет пороков, может пойти вверх после того, как образец будет достаточно спрессован.

Значительный рост деформации без увеличения нагрузки позволяет считать, что грузоподъемность образца уже исчерпана. Поэтому за разрушающую нагрузку Р_mах (соответствующую пределу прочности σ_в) условно принимается такая нагрузка, при которой кубик сжимается на 1/3 своей первоначальной высоты.

Прочность дерева при сжатии поперек волокон обычно в 8-10 раз меньше, чем вдоль волокон. Эти свойства дерева следует учитывать, располагая его так при проектировании конструкций, чтобы сжимающие усилия действовали по направлению наибольшего сопротивления, т. е. вдоль волокон.

Твердость материалов

Твердость – свойство материала сопротивляться проникновению в него другого более твердого тела.

Различают относительную и абсолютную твёрдость.

Относительная — твердость одного материала относительно другого. Является важнейшим диагностическим свойством.

Абсолютная, она же инструментальная — изучается посредством вдавливания.

Наиболее твёрдым из существующих на сегодняшний день материалов является лонсдейлит, на 58 % превосходящий по твердости алмаз, однако маловероятно практическое использование из-за сложности его получения. Самым твёрдым из распространённых веществ является алмаз (10 единиц по шкале Мооса, см. ниже)

Лонсдейлит или алмаз гексагональный P63/mmc — одна из аллотропных модификаций углерода. Открыт в 1966 или ранее, первая публикация 1967. (Frondel, C.; U.B. Marvin (1967). «Lonsdaleite, a new hexagonal polymorph of diamond». Nature 214: 587—589) Одновременно он обнаружен в природе, в метеоритном каньоне. В настоящее время группе американских и китайских ученых удалось доказать, что самый твердый на сегодняшний день материал — специально обработанный лонсдейлит. Он оказался на 58 процентов тверже алмаза.

Алмаз и лонсдейлит имеют одинаковые валентные углы, которые равны 109°28’16’’, длины связей у них равны 0,1545 нм, а координационное число — 4. Элементарная ячейка алмаза содержит восемь атомов углерода, а лонсдейлита — четыре.

Решетки алмаза и лонсдейлита отличаются способом упаковки. Для лонсдейлита характерна двухслойная упаковка типа (… АВАВ …), где каждый последующий тетраэдрический слой повернут на 60° по отношению к предыдущему. Для алмаза — трехслойная типа (… АВСАВС …), где все слои построены из одинаковых координационных тетраэдров. Алмаз в этом плане схож с α-графитом, только алмазная плоскость «гофрированная».

Укладка слоем лонсдейлита

Укладка слоем алмаза

Дата добавления: 2015-07-12