Введение

Наука о механических свойствах материалов получила свое развитие в эпоху промышленного капитализма в середине 19 века. Вызвано это тем, что с развитием машиностроения возникает необходимость повышения срока службы машин и их надежности, что невозможно без использования материалов обладающих определенным комплексом свойств, удовлетворяющих определенным требованиям. Знание характеристик механических свойств материалов является основополагающим критерием при выборе материала для изготовления деталей машин и конструкций. Характеристики механических свойств материалов не являются константами, а зависят от ряда факторов (напряженного состояния, окружающей среды и температуры, размера образцов, структуры и др.). к структурным нечувствительным характеристикам можно отнести лишь константы (модули упругости). Но и эти характеристики по отношению к другим факторам не являются константами. Например модуль упругости существенно зависит от температуры.

В связи с этим необходимо определять характеристики механических свойств применительно к определенным условиям с учетом всего многообразия факторов.

Современная техника предъявляет к конструкционным материалам по крайней мере 2 основных требования:

1. Конструкционные материалы должны обладать достаточной прочностью, чтобы сопротивляться внешним нагрузкам;

2. Конструкционные материалы должны обладать высокой вязкостью, чтобы исключить хрупкое разрушение.

Удовлетворение этих двух требований невозможно без управления процессами, протекающими в материалах под нагрузкой.

Известно, что разрушение протекает в две стадии:

1. зарождение трещины;

2. развитие трещины.

Зарождение трещины является следствием пластической деформации. Показано, что даже в самых хрупких материалах образованию трещины предшествует пластическая деформация. Следовательно, чтобы предупредить зарождение трещины, нужно повысить сопротивление пластической деформации. Чтобы управлять процессом пластической деформации необходимо знать механизмы пластической деформации, присущие конструкционным материалам.

Основываясь на существующих механизмах пластической деформации, современная наука о механических свойствах позволяет регулировать сопротивление пластической деформации.

Современные теории упрочнения материалов базируются на ограничении подвижности дислокаций и стабилизации получаемых дислокационных структур. За счет этого достигается в настоящее время предел прочности для сталей ≈3500 МПа в деталях с большим сечением. Но при такой прочности не удается обеспечить другую очень важную характеристику – вязкость и как следствие – исключить хрупкое разрушение. Противоречивость этих двух характеристик усугубляется при использовании материалов при низких температурах. При низких (отрицательных) температурах высокая прочность и вязкость принципиально не совместимы. По этой причине приходится использовать в конструкциях лишь часть потенциальной прочности (менее 50%), чтобы избежать хрупкое разрушение и обеспечить надежность конструкций. Частично эта задача решается увеличением размеров деталей, что приводит к увеличению расхода материала, увеличению веса конструкций и их стоимости. В ряде случаев такой путь становится тупиковым. Например, криогенная техника (холодильные установки и аппаратура для получения сжиженных газов, авиация, космическая техника и др.).

При повышении температуры повышается вязкость, но снижается прочность. Это другая проблема и для ее решения необходимо другое решение, повышение жаростойкости (детали котлов, турбин и др.).

Для определения характеристик механических свойств конструкционных материалов разработано множество методов испытаний, на которые существуют специальные стандарты (ГОСТ). Но в ряде случаев стандартных характеристик механических свойств недостаточно для обеспечения надежности и гарантийного срока. Все стандартные испытания проводятся на стандартных образцах строго определенных размеров с определенным классом чистоты поверхности. Детали и конструкции в большинстве случаев отличаются по размерам и форме от образцов, что существенно влияет на свойства конструкционных материалов.

С другой стороны в образцах отсутствуют дефекты (например микротрещины), а в деталях и конструкциях они возможны, что принципиально влияет на механические свойства.

В связи с этим, чтобы исключить этот фактор нужно приблизить методику испытания к условиям работы материала в конкретных условиях.

Все методы испытания механических свойств относятся к разрушающим методам, требующим длительной подготовки и определенных затрат. Учитывая то, что механические свойства определяются составом и структурой целесообразно установление такой свяязи и оценивать свойства по структуре.

Исходя из выше изложенного, можно определить назначение механических испытаний:

1. Осуществлять механические испытания с целью опытной оценки тех свойств, которые определяют механическую прочность.

2. Решать широкий круг практических вопросов при создании новых конструкционных материалов с целью установления прочности и пластичности при обычных и специальных условиях службы, при выборе режимов упрочнения.

3. Осуществлять испытания механических свойств с целью массового контроля качества изделий и др.

4. Осуществлять испытание с целью установления связи между структурой и свойствами, а также с целью научного обоснования методик испытания.