§ 2. Механические и технологические свойства материалов

Наряду с физическими и химическими свойствами материа­лов большое значение имеют их механические и технологи­ческие свойства.

К механическим свойствам материалов относятся прочность, твердость, упругость, пластичность, вязкость и хрупкость.

Прочностью называется способность материала сопро­тивляться действию сил, не изменяя формы (в допустимых пре­делах) и не разрушаясь.

Твердость — свойство материала противостоять проник­новению в него другого, более твердого тела.

Упругостью называется способность материала восста­навливать первоначальную форму после прекращения действия сил.

Пластичность — свойство материала изменять свою форму под воздействием сил (не разрушаясь) и сохранять но­вую форму после прекращения действия сил.

Вязкостью называется свойство материала выдерживать без разрушения резко изменяющиеся нагрузки (например, удар­ные).

Хрупкостью называется свойство материала легко раз­рушаться при ударных нагрузках; хрупкость — свойство, про­тивоположное вязкости.

Технологические свойства материалов характеризуют их податливость к различного рода обработке: ковке, штамповке, литью, резанию, сварке.

К технологическим свойствам металлов относятся, например, ковкость — способность изменять форму при обработке давле­нием посредством ударов; жидкотекучесть и усадка при литье — литейные свойства; обрабатываемость резанием — способность изменять форму при механической обработке резанием; свари­ваемость — способность материалов прочно соединяться при сильном местном нагреве в процессе сварки.

Как известно, под действием сил все тела в той или иной сте­пени изменяют свою форму и размеры, т. е. подвергаются деформации. Величина деформации и ее характер зависят от величины и характера действующих сил, размеров деталей и свойств материалов, из которых они изготовлены.

Если после прекращения действия сил деформация полно­стью исчезает, т. е. тело практически полностью восстанавливает свою форму и объем, то такая деформация называется упругой.

Остаточной называется деформация, которая не исчезает после того, как действие сил на тело прекратилось.

Совершенно очевидно, что детали машин в процессе их ра­боты не должны практически изменять свою форму и размеры (кроме, например, пружин, рессор и т. п.). Это значит, что нормальная работа машин возможна лишь тогда, когда детали испытывают упругие деформации; появление остаточных дефор­маций (например, удлинение болта, шатуна двигателя, изгиб вала) практически привело бы к немедленному выходу из строя всей машины, послужило бы причиной аварии.

В зависимости от характера нагрузки различают дефор­мации растяжения, сжатия, сдвига, кручения, изгиба.

Д еформации растяжения и сжатия вызываются силами, растягивающими или сжимающими деталь. Рас­паиваются, например, приводные ремни, цепи, тросы, шатуны двигателей, болты, балки ферм. Сжатию подвергаются панины и тумбы станков, фундаментные плиты, опоры мостов, колонны, стены зданий.

Деформация сдвига (рис. 23) иозникает при действии на деталь, на­пример заклепку, параллельных сил, смещающих ее части отно­сительно друг друга. Деформация сдвига появляется в мате­риалах в процессе их обработки — резания ножницами, холодной штамповки, резания на металлорежущих станках.

Деформацию кручения испытывают детали, на которые действуют крутящие моменты (пары сил), например вал аитомобильного двигателя, винты домкратов, болты, пружи­ны и т. д.

Изгибом называется деформация деталей, имеющих форму стержня, под действием поперечных сил. Де­формации изгиба подвергаются многие детали, особенно детали значительной длины, например тонкие трубы, рельсы, валы и оси, балки.

На практике названные выше деформации в чистом виде почти не встречаются, а наблюдаются в различных сочетаниях н зависимости от характера сил, действующих на работающие детали.

Например, шпиндель токарного станка испытывает одновре­менно деформации изгиба и кручения. Заклепки и затянутые болты могут подвергаться и растяжению, и сдвигу, и изгибу.

Всякая деформация ведет к возникновению благодаря силам упругости напряжений в теле детали, которые противодействуют ииешним нагрузкам.

Величина напряжения характеризуется отношением нагруз­ки Р к площади F поперечного сечения детали и выражается в кГ/см² или кГ/мм².

Различают напряжения нормальные ơ (перпен­дикулярные к сечению), например при деформациях растяжения и сжатия, и касательные т, например при деформа­ции сдвига.

При упругих деформациях величина деформации пропорцио­нальна напряжению (закон Гука).

Величины предельных напряжений являются очень важными механическими характеристиками машиностроительных мате­риалов.

Напряжение, при котором начинает появляться остаточная (пластическая) деформация, называется пределом упру­гости ơу.

Например, предел упругости для стали колеблется от 20 кГ/мм² (конструкционная обыкновенного качества) до 60 кГ/мм² (легированная), для свинца он очень мал и равен 0,25 кГ/мм².

Наибольшее напряжение, выдерживаемое деталью, назы­вается пределом прочности и обозначается а_Пч.

Назовем еще одну характеристику, имеющую особенное зна­чение для пластических деформаций, — предел текуче­сти о?_т. Он показывает, при каком напряжении металл про­должает деформироваться без увеличения нагрузки (т. е. «течет»).

Величины ơ_пч ơ_т для некоторых материалов приводится в таблице 1.

Таблица 1

Пределы текучести и прочности некоторых материалов

Материал	Предел текучести, ơт, кГ\мм2	Предел прочности, ơпч, кГ\мм2	Материал	Предел текучести, ơт, кГ\мм2	Предел прочности, ơпч, кГ\мм2
Конструкцион­ная сталь .	—	—	Бронза	от 18 до 48	от 20 до 80
Ст. 2 . . .	22	36	—	—	—
Ст. 6 . . .	31	до 70	Чугун		от 12 до 35 (при растя­жении)
Ст. 50 . . .	35	63	—	—	_
Легированная сталь . .	до 80	до 100	—	—	от 50 до 140 (при сжатии)

Величину ơ_т особенно важно знать при выборе режима обра­ботки, основанной на использовании пластических деформаций (т. е. без разрушения материала, в частности при ковке, штам­повке, прокатке, волочении). Для обработки резанием, где необ­ходимо разрушать материал, снимая стружку, большую роль играет величина предела прочности ơ_пч.

Необходимо так рассчитывать и изготовлять детали машин,- чтобы допускаемые напряжения деталей при их работе были бы меньше, предельных ơ_пч и ơ_т, а именно

и ,

где n — запас прочности (или коэффициент безопасности).

Запас прочности различен для разных материалов. Напри­мер, для стали его принимают от 3 до 5, для чугуна — от 6 до 8, Выбор величины n требует всестороннего учета многих условий. Так, например, для спокойных (статических) нагрузок величи­на n меньше, чем для быстро изменяющихся, ударных (динами­ческих) нагрузок.

Нельзя брать слишком большой запас прочности, так как это привело бы к увеличению размеров деталей, утяжелению всей машины, чрезмерному расходу материалов.