Розділ 2. Механічні властивості матеріалів і методи їхнього визначення

2.1. Загальні поняття про навантаження, напруги, деформації й руйнуванні матеріалів

Зовнішні навантаження, що діють на елементи конструкцій і машин, розподілені тією чи іншою мірою по деякій площі або обсягу.

Ряс. 2.1. Основні види нагружения:

а — розтяганням; б — стиском; в — вигином; г — крутінням; д — зрізом

Внаслідок цього розподілені навантаження можуть бути поверхневими (наприклад, тиск води або пари на стінку труби) і об'ємними (наприклад, сили ваги, інерції, магнітного притягання). Однак для спрощення розрахунків розподілене навантаження можна замінити рівнодіючим зосередженим навантаженням.

Залежно від зміни в часі навантаження підрозділяються на статичні й динамічні. Статичні навантаження, а отже й статичне нагружение, характеризуються малою швидкістю зміни своєї величини. А динамічні навантаження змінюються в часі з більшими швидкостями, наприклад при ударному нагружении.

Залежно від характеру дії навантаження підрозділяють на що розтягують (мал. 2.1, а), що стискають (мал.2.1, б), що згинають (мал. 2.1, в), що скручують (мал.2.1, г), що зрізують (мал.2.1, д). Зміна навантаження може мати періодично повторюваний характер, внаслідок чого них називають повторно-змінними або циклічними (мал. 2.2). У різноманітних умовах експлуатації конструкцій і машин вплив перерахованих навантажень може проявлятися в різних їхніх сполученнях.

Під впливом зовнішніх навантажень, а також структурно-фазових перетворень у матеріалі конструкції виникають внутрішні сили, які можуть бути виражені через зовнішні навантаження. Внутрішні сили, що доводяться на одиницю площі поперечного перерізу тіла, називають напря руйнування зрізом (б) і відривом (в):

1 — скупчення дислокацій, 2 — границя зерна, 3 — мікротріщина

Рис. 2.2. Схема циклічного нагружения:

а — розтяганням; б — стиском; в — знакозмінним нагружением

Рис. 2.5. Схеми скупчення дислокації в границі зерна з утворенням мікротріщини (а),

Виникнення мікротріщин при грузлому й тендітному руйнуваннях відбувається шляхом скупчення дислокації перед границями зерен (мал. 2.5) або іншими перешкодами (неметалічні включення, карбідні частки, межфазовые границі й ін.), що приводить до концентрації напруг. При аналізі мікроструктури розрізняють транскристаллитное (по тілу зерна) і интеркристаллитное (по границях зерен) руйнування. Руйнування металу в умовах експлуатації конструкцій і машин може бути не тільки грузлим або тендітним, але й змішаним - вязкохрупким.

2.2. Механічні властивості й класифікація методів механічних випробувань матеріалів

Механічними властивостями матеріалів називають властивості, які виявляються випробуваннями при впливі зовнішніх навантажень. У результаті таких випробувань визначають кількісні характеристики механічних властивостей. Ці характеристики необхідні для вибору матеріалів і режимів їхньої технологічної обробки, розрахунків на міцність деталей і конструкцій, контролю й діагностики їх прочностного стану в процесі експлуатації.

Контроль механічних властивостей починається ще при виробництві металу на металургійних заводах. Коли метал або прокат надходить до споживача, наприклад на машинобудівні заводи, його відбирають залежно від рівня характеристик механічних властивостей для виготовлення тих або інших виробів з урахуванням умов їхньої експлуатації. При виготовленні виробів метал піддається різній технологічній обробці (механічної, термічної й ін.), під впливом якої відбуваються зміни в структурі й механічних властивостях. Тому необхідно контроль механічних властивостей металу й на різних стадіях виготовлення виробів.

У процесі експлуатації виробів під впливом різних факторів (підвищені або знижені температури, тиск, агресивне середовище й ін.) змінюються структура й механічні властивості, що із часом приводить до погіршення властивостей і навіть руйнуванню металу. Це викликає

необхідність періодичного контролю механічних властивостей металу з метою виявлення небезпечних зон у деталях і конструкціях і запобігання аварій. Більше того, у багатьох галузях промисловості (наприклад, у теплоенергетиці, нефтегазохимии й ін.) налічується велика кількість агрегатів, що пробули тривалий час в експлуатації й строк служби виробили, що свій розрахунковий. Тому потрібна уточнена оцінка їхнього залишкового ресурсу, що неможлива без визначення й обліку фактичних механічних властивостей матеріалів, з яких виготовлені ці агрегати.

При проведенні механічних випробувань прагнуть відтворити такі умови впливу на матеріал, які мають місце при експлуатації виробу, виготовленого із цього матеріалу. Різноманіття умов служби матеріалів обумовлює проведення великої кількості механічних випробувань. Але разом з тим основними ознаками, що дозволяють класифікувати види механічних випробувань, є:

» спосіб нагружения (розтягання, стиск, вигин, крутіння, зріз, циклічне нагружение й ін.);

• швидкість нагружения (статична, динамічна);

• довжина процесу випробування в часі (короткочасна, тривала).

Існують і інші ознаки класифікації, які характеризуються складністю напряженно-деформированного стану, режимами нагружения, типами зразків, агресивністю середовища.

У результаті механічних випробувань матеріалів визначають наступні характеристики: пружність, пластичність, міцність, твердість, в'язкість, утома, тріщиностійкість, хладостейкость, жароміцність.