Основные механические свойства и характеристики твердых тел и способы их улучшения.

В твердых телах под действием приложенных сил, температуры и с течением времени проявляются следующие механические свойства: жесткость, пластичность, прочность, твердость, вязкость, хрупкость, ползучесть, релаксационная стойкость.

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

 Пластичность - способность пластически, то есть необратимо деформироваться без макроразрушения.

 Твердость - способность сопротивляться локальному воздействию (вдавливанию, царапанию) более твердых тел (индентеров).

 Вязкость - способность поглощать энергию за счет пластической деформации.

 Хрупкость - склонность к разрушению без значительной пластической деформации, чаще всего в результате распространения трещин.

 Прочность - способность сопротивляться пластическому, то есть необратимому деформированию и разрушению.

 Ползучесть - склонность к увеличению пластической деформации во времени при постоянных условиях - температуре и нагрузке.

 Релаксационная стойкость - способность сохранять упругодеформированное состояние во времени, с чем связано постоянство размеров и формы изделий.

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):

F = k · Δ L,

где F - сила, приложенная к стержню длиной L ₀ и площадью S ₀ , Δ L - абсолютная упругая деформация образца, при этом k = f (L ₀ , S ₀ ).

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/ S ₀ = (k · L ₀ /S ₀ ) · Δ L/ L ₀ ,

где сила, действующая перпендикулярно на единичную площадь соответствует нормальному напряжению σ = F/S ₀ , а величина Δ L/L ₀ равна абсолютной деформации, приходящейся на единицу длины или относительной деформации ε = Δ L/L ₀ . Тогда величина (k · L ₀ /S ₀ ) коэффициент жесткости материала, известный как модуль нормальной упругости E:

E = k · L ₀ /S ₀ .

Закон Гука в этом случае имеет вид

σ = E · ε

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 = τ / γ ,

где τ = F/S - напряжение сдвига, соответствующее силе F, приложенной вдоль площади S и приходящейся на единицу площади, γ = Δ L/L - 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/ r g, где r - плотность материала (табл.).

Влияние различных факторов на величину модуля упругости

Зависимость величины E материала от внутренних факторов в первом приближении может быть представлена как

E = (K · α /R ₀ )

α - константа межатомного взаимодействия, соответствующая жесткости межатомной связи в данном направлении, R ₀ - размер атома, соответствующий расстоянию между ближайшими соседними атомами, K - структурный коэффициент, пропорциональный плотности упаковки атомов.

Из данного соотношения следует вывод: чем больше жесткость межатомной связи, меньше размер атомов и плотнее их упаковка, тем выше модуль E кристаллов.

Наибольшую жесткость проявляют кристаллы с ковалентной связью: (C, SiC), ионные (BeO, Al₂O₃) с большим зарядом ионов и некоторой долей ковалентной связи, металлические тугоплавкие (W, Os, Ru, Mo, Ta) и с малыми размерами атома (Be). Ионные кристаллы NaCl, LiF, несмотря на высокое значение энергии связи, соизмеримое и даже большее, чем у алмаза, проявляют сравнительно малую жесткость, так как почти полностью отсутствует ковалентная компонента связи.

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

За счет появления дефектов возможно как небольшое снижение, так и увеличение жесткости материалов, поэтому жесткость считается свойством мало зависящим от структуры (малоструктурночувствительным свойством).