1.2.4.2 Эффект Ребиндера

Адсорбция поверхностно-активных молекул расширяет, расклинивает слабые места в окрестности дефектов на поверхности материала и способствует развитию микрощелей, при этом прочность снижается.

1.2.5 Старение материала

В ряде материалов при неизменных внешних условиях происходит с течением времени как бы самопроизвольное изменение упругих и механических свойств, т.е. старение.

В металлах старение связано со структурными преобразованиями, которые происходят вследствие преодоления первоначальной неустойчивости структуры. При старении стали уменьшается остаточное относительное удлинение, повышается предел текучести, уменьшается ударная вязкость, т.е. сталь становиться хрупкой.

В некоторых случаях изменяется и модуль упругости Е, например, при старении бериллиевой бронзы Е повышается на 20%.

У бетона с течением времени прочность растет.

В пластмассах, каучуках происходят внутренние окислительные процессы, сильно снижающие их механические свойства.

1.2.6 Влияние времени нагружения

Реальная эксплуатация может происходить по времени от нескольких десятков лет до милли и микро секунд. Динамичность процесса нагружения характеризуется скоростью нагружения

(1.2.1)

или скоростью относительной деформации

. (1.2.2)

В области линейной зависимости неизменность одной из величин и влечет за собой неизменность и другой. В области нелинейной зависимости они существенно зависят от того, какую из двух величин и сохраняют неизменной. Так как , то

(1.2.3)

Таким образом, зависит не только от скорости абсолютной деформации , присущей многим испытательным машинам, но и от длины образца .

Упругие характеристики металлов практически не зависят от скорости деформирования. Для материалов, обладающих вязкоупругими свойствами (полимеры, резины), модуль упругости, в основном, растет с увеличением скорости деформирования.

Вторая стадия работы материала – сопротивление пластическим деформациям – существенно зависит от скоростей нагружения и деформирования и, как правило, увеличивается с ростом скорости деформирования.

Зависимость третьей стадии работы материала – сопротивления разрушению – от скорости деформирования сложно (см. рисунок 1.2.5).

Рисунок 1.2.5 - Влияние скорости деформирования на вид диаграммы -

Зависимость прочности от скорости деформирования для многих материалов описывается уравнением:

. (1.2.4)

Отмечено также, что увеличение скорости деформирования для многих материалов приводит к их охрупчиванию.

Изучение влияния скорости деформирования на сопротивление разрушению осложняется, например, тем, что при увеличении скорости нагружения уменьшается количества тепла, переходящее в окружающую среду, т.е. повышается температура материала, что само по себе влияет на свойства материала.

1.2.7 Влияние температурного фактора на упругие и механические свойства материалов

Температурный фактор является весьма существенным в ряду причин, влияющих на механические свойства многих материалов. Наименьшее влияние он оказывает на каменные материалы.

Модуль упругости и предел текучести, в основном, с ростом температуры уменьшается.

Рисунок 1.2.6 – Влияние температуры на модуль упругости и предел текучести

Некоторые обобщения сводятся к следующему.

Во-первых, ряд сплавов, имеющих более высокий предел текучести при комнатной или сравнительно невысоких сходственных температурах, при повышении температуры резче теряют в величине , и последняя становится меньше, чем у сплавов с относительно невысоким пределом текучести при комнатной и небольшой сходственной температурах.

Во-вторых, некоторые алюминиевые сплавы теряют 50 % в величине предела текучести по сравнению с таковой при комнатной температуре уже при 150-200 ⁰С, ряд сплавов титана – при 400-500 ⁰С, некоторые нержавеющие стали, принимающие термообработку, при 500 ⁰С, некоторые суперсплавы при 700 ⁰С.

Сопротивляемость материала пластическим деформациям и разрушению при высоких температурах зависит от воздействия нагрузки на изделие. В ряде случаев при непродолжительном воздействии нагрузки в условиях высоких температур материал обладает хорошей сопротивляемостью к пластическим деформациям и разрушению, а при продолжительном воздействии оказывается недостаточно прочным. В связи с этим вводятся понятия: предел длительной прочности и предел ползучести, которые приближенно выражаются линейной функцией логарифма продолжительности работы при постоянной температуре.

На рисунке 1.2.7 показана схема А.Ф.Иоффе зависимости сопротивлений пластическому и хрупкому разрушению от температуры и скорости нагружения.

4

1-сопротивление срезу;

2-сопротивление отрыву;

3-область пластического разрушения;

4-область хрупкого разрушения.

1

2

3

Т

Рисунок 1.2.7 – Схема механического состояния А.Ф.Иоффе

Сопротивление срезу уменьшается, а сопротивление отрыву почти не изменяется при увеличении температуры. Именно такой динамикой изменения сопротивлению срезу и отрыву объясняется переход материала из хрупкого состояния в пластичное при повышении температуры. У металлических сплавов температура перехода в хрупкое состояние, так называемая критическая температура, очень низка (минус 253 ⁰С для среднеуглеродистой стали). Для аустенитной стали, сплавов никеля, алюминия критическая температура пока не обнаружена. Температурный фактор может повлиять на состояние фазы, расположенной между зернами в полукристаллическом металле. Если эта фаза легкоплавка, то при повышении температуры может наступить разрушение. Этим объясняется красноломкость стали при наличии FeS на границах между зернами. В сплавах вольфрама, магния к межкристаллическому разрушению приводит понижение температуры. Некоторые материалы вследствие длительного воздействия на них высоких температур (иногда совместно с нагрузкой) переходят в хрупкое состояние при динамическом воздействии, такое явление называется тепловой хрупкостью. Сильнее других сталей подвержены возникновению тепловой хрупкости хромоникелевые, марганцевые и медистые стали.

Требования, предъявляемые к материалам, работающим в условиях высоких

или низких температур:

а) жаропрочность – способность материала противостоять пластической деформации и разрушению при приложении нагрузки в условиях высоких температур;

б) жаростойкость – способность материала хорошо противостоять химическому воздействию (в частности, газовой среде) при высоких температурах;

в) красностойкость – свойство материала не размягчаться или слабо размягчаться при достаточно длительном воздействии такой высокой температуры, как температура каления (для стали 600-650 ⁰С);

г) сопротивляемость старению;

д) отсутствие склонности к текучести;

е) прочность по отношению к ударным нагрузкам.

Существенными являются теплофизические характеристики: теплопроводность λ, коэффициент линейного теплового расширения α, теплоемкость С. От их отношения зависит величина термических напряжений, определяющих стойкость конструкции к перепадам температур.

Основными требованиями к материалам, предназначенным для работы при низких температурах, являются сохранение пластических свойств и отсутствие хладноломкости.