Определение прочностных свойств материалов

Основные характеристики прочности для металлических и неметаллических материалов, используемые в инженерной практике, получают из механических испытаний. Среди них ведущее значение имеет испытание на растяжение стандартных образцов при постоянной скорости деформирования ~10^-2 1/с. В результате (для пластичных металлических материалов) получают кривую растяжения, на которой различают несколько предельных значений напряжений (пределов) σ, разграничивающих качественное изменение характера деформации. Расчет σ, чаще всего, ведется как отношение растягивающей нагрузки P начальной площади F₀ (σ = P/F₀), но так как в процессе деформации площадь сечения F уменьшается, то такие напряжения называются условными в отличие от более высоких истинных напряжений (σ = P/F).

В справочных источниках указывают, как правило, значения следующих условных пределов:

 σ_пц - предел пропорциональности – напряжение, вызывающее отклонение величины упругой деформации от значения, соответствующего закону Гука не более чем на условленную величину (обычно >50%); применяется для расчета максимальных рабочих напряжений при проектировании прецизионных пружин.

 σ_у - предел упругости – напряжение, характеризующее сопротивление микропластическим деформациям, при котором пластическая деформация составляет не более условленной величины (<0,05%); применяется для расчета максимальных рабочих напряжений при проектировании упругих элементов

 σ_т - предел текучести – напряжение, характеризующее сопротивление малым макропластическим деформациям, при котором пластическая деформация составляет не более условленной величины (обычно 0,2%),

 σ_в - предел прочности – напряжение, характеризующее сопротивление большим пластическим деформациям, при котором происходит переход от равномерной пластической деформации к развитию местной деформации с образованием резкого сужения (шейки); применяется для расчета максимальных допустимых напряжений при проектировании деталей из материалов пониженной пластичности.

Если растягивающую нагрузку разделить на текущую площадь образца F_т, которая уменьшается по мере растяжения, то можно получить истинный предел прочности (σ_ви = P_max/F_т) и истинное сопротивление разрыву (S_к = P_к/F_к), однако эти характеристики редко применяются на практике.

Испытание на растяжение позволяет также получить характеристики пластичности материала:

δ = Δ L_max/L₀ – максимальное относительное удлинение при разрыве; для пластичных материалов не менее 10 - 15%,

φ = Δ F_max/F₀ – максимальное относительное сужение при разрыве.

σ_т / σ_в – тем больше, чем меньше пластичность; для пластичных материалов не более 0,45.

Примеры высокопрочных материалов

1. Нитевидные кристаллы Al₂O₃ – σ_в = 28 ГПа.

2. Тонкая проволока из особокачественной стали У9 после сильного обжатия σ_в = 5,5 ГПа.

3. Стеклянные волокна – σ_в = 4,5 ГПа.

4. Сталь 30ХГСН2А после низкотемпературной термомеханической обработки σ_в = 2,3 ГПа

Эксплуатационная прочность материалов

В процессе эксплуатации деталей материалы подвергаются действию как постоянных (статических) так и переменных (циклических) нагрузок, при этом размеры и форма деталей и стандартных образцов для механических испытаний, как правило, отличаются. Механические свойства материалов (одной марки) также несколько отличаются из за неизбежных отклонений состава и структуры от нормированных стандартом на материал. В тех случаях, когда от материала требуется максимальное использование его свойств, необходимы испытания готовых деталей в реальных условиях эксплуатации, а также использование материалов с высокими стабильными свойствами, что обеспечивается металлургическим качеством, соблюдением режимов термической и механической обработки.

Для рассмотрения эксплуатации деталей с учетом действия постоянных и переменных нагрузок используется понятие статической и циклической прочности.