21

Мелким шрифтом излагается дополнительная информация

Основы оптимизации структуры и механических свойств конструкционных материалов (1)

Основные механические свойства и характеристики твердых тел и способы их улучшения

При изучении данного раздела следует обратить внимание, в первую очередь, на металлические материалы, которые:

• должны обладать необходимой жесткостью и прочностью при достаточной вязкости, часто в сочетании с малой плотностью,

• иметь высокую стабильность структуры и свойств,

• сохранять работоспособность в условиях, соответствующих техническим требованиям.

Свойства материалов обусловлены составом и структурой основы материала, вредными примесями, легирующими элементами, а также внешними факторам, в частности, температурой, составом среды, полями и облучениями, которые могут повлиять на состав и структуру.

Основными внешними факторами, формирующими структуру материалов, являются пластическая деформация и термообработка.

В приборостроении все ответственные детали должны подвергаться термической обработке с целью оптимизации структуры и свойств.

Эффективное использование материалов определяется их оптимальным выбором, технологией обработки, рациональным конструированием деталей.

Твердые тела под действием внешних факторов (приложенных сил, температуры, времени) проявляют следующие механические свойства:

жесткость, пластичность, прочность, твердость, вязкость, хрупкость, ползучесть, релаксационную стойкость.

Жесткость

Жесткость - способность материала сопротивляться упругому, то есть обратимому деформированию.

Количественной характеристикой жесткости при растяжении или сжатии твердого тела произвольных размеров является коэффициент жесткости k в законе Гука (рис. 22):

F= k·L,

где F - сила, приложенная к стержню длиной L₀ и площадью S₀, L - абсолютная упругая деформация образца, при этом k зависит от материала образца, его длины и площади.

а) б)

Рис. 22 Упругая деформация образца. а) деформация растяжения, б) деформация сдвига

Для оценки жесткости материала, не зависящей от геометрических параметров образцов, принимается жесткость образца единичной площади и единичной длины, за который можно принять куб с ребром единичной длины.

Тогда закон Гука можно записать как

F/S₀ = (k·L₀ /S₀)·L/ L₀,

где сила, действующая перпендикулярно на единичную площадь соответствует нормальному напряжению = F/S₀ (Па), а величина L/L₀ равна относительной деформацией  = L/L₀ (соответствует абсолютной деформации, приходящейся на единицу длины). Тогда величина (k·L₀ /S₀) является коэффициентом жесткости материала, известным как модуль нормальной упругости E (модуль Юнга):

E = k·L₀ /S₀

Закон Гука в этом случае имеет вид

 = E·

Кроме модуля нормальной упругости E, отвечающего за одноосное растяжение и сжатие, для описания жесткости материалов в условиях сдвига и кручения используют модуль сдвига G, равный:

G = /,

где  =F/S₀ - напряжение сдвига, соответствующее силе F, приложенной вдоль площади S₀ и приходящейся на единицу площади, = L/L₀ - относительный сдвиг или угол сдвига.

Так как для некоторых применений, например в авиационно-космической технике, конструкции должны быть не только жесткими, но и легкими, то в качестве критерия введено понятие удельного модуля упругости E/g (м), где  - плотность материала, g – ускорение свободного падания (табл. 1).

Наибольшую жесткость проявляют кристаллы с ковалентной связью (C, SiC), ионно-ковалентные с большим зарядом ионов (BeO, Al₂O₃), тугоплавкие переходные металлы (W, Os, Re, Mo, Ta...) и металлы с малым размером атома (Be).

Жесткость ведет себя как анизотропная характеристика кристалла, так как в разных направлениях в кристаллической решетке различны плотность упаковки атомов и жесткость связи. Изотропность, проявляемая поликристаллами, обусловлена хаотичностью ориентации отдельных зерен.

За счет появления дефектов возможно как небольшое снижение, так и увеличение жесткости материалов, поэтому жесткость считается свойством, мало зависящим от дефектности структуры. Некоторого увеличения жесткости поликристаллов можно добиться, создавая анизотропию за счет преимущественной ориентации зерен.

Нагрев, в общем случае, приводит к снижению модулей упругости, так как способствует ослаблению межатомного взаимодействия за счет теплового расширения.