Вопрос 4. Основные механические свойства конструкционных материалов.

Механическими свойствами называют параметры, характеризующие поведе-ние материалов под действием механических нагрузок. Численные выражения механи-ческих свойств обычно называют механическими характеристиками.

Механическое напряжение и деформация.

При определении значения механических свойств чаще всего оперируют поняти-ями: "напряжение" и "деформация".

Напряжением называют приложенную к телу нагрузку, отнесённую к единице площади сечения. Напряжение выражают в Н/м², эту единицу называют Паскалем и обозначают "Па". В технической литературе в качестве единицы напряжения используют 1 Н/мм²=10⁶ Па=1 МПа.

Для простого случая осевого растяжения цилиндрического стержня напряжение S на площадке F поперечного сечения определяется как сила Р, отнесённая к этому сечению.

S = P / F

Напряжение S называют истинным. Площадь поперечного сечения F зависит от вели-чины нагрузки Р и определять площадь F для каждой нагрузки затруднительно. Поэто-му обычно определяют условное напряжение

 = P / F₀.

где F₀ — площадь первоначального, до приложения нагрузки, поперечного сечения.

На практике обычно определяют , и именно этим напряжением характеризуют многие механические свойства.

Силу, действующую на некоторую площадку F₁, расположенную под углом, можно разложить на нормальную составляющую R и касательную Q, тогда нормальным напряжением, , будет называться отношение R / F₁, а касательным напряжением,  — отношение Q / F₁. Касательное напряжение называют также и скалывающим напряжением. Величина касательного напряжения зависит от угла, который площадка составляет с осью стержня. Для осевого растяжения касательные напряжения являются наибольшими на площадке, которая находится под углом в 45° к оси стержня. На практике детали и узлы машин, к которым прилагается нагрузка, могут иметь надрезы, трещины, внутренние дефекты материала, резкие переходы от тонких к толстым сечениям. Это приводит к неравномерному по различным сечениям деталей распределению напряжений. При наличии трещин, надрезов в местах резких переходов от тонких к толстым сечениям возникают пики концентраций напряжений. Источники таких пиков называют концентраторами напряжений.

Напряжения, которые действуют только при наличии внешней нагрузки и исчезают при её снятии, называют временными. Напряжения, возникающие и уравновешивающиеся внутри тела без приложения нагрузки, называют внутренними.

Самопроизвольное уменьшение внутренних напряжений называют релаксацией.

Под действием внешних нагрузок все тела претерпевают деформации. Одни деформации исчезают после удаления нагрузки, их называют упругими, другие остаются — остаточные.

На практике, как правило, встречаются более сложные, чем осевое растяжение, случаи нагружения и деформации. Определение напряжённого и деформированного состояний для сложных случаев нагружения входит в задачу других дисциплин, в частности, сопротивления материалов и строительной механики.

Упругая деформация. Закон Гука.

Важной задачей является установление зависимости между напряжениями и деформациями.

Для образцов эти зависимости получают путем механических испытаний, при которых регистрируются нагрузки и деформации.

Для случая осевого растяжения металлического образца зависимость между нагрузкой и удлинением — диаграмма растяжения — имеет вид, представленный на рисунке:

На кривой растяжения можно выделить ряд участков.

Первый участок 0–1 характеризуется линейной зависимостью между нагрузкой и деформацией и обратимостью деформации, т.е. после снятия нагрузки длина образца восстанавливается. Это участок упругой деформации.

На участке 1–3 длина образца после снятия нагрузки не восстанавливается. Это участок пластической деформации, особенности которой рассмотрим позже.

Упругость — свойство материала внутренними силами восстанавливать первоначальную форму, искажённую внешним воздействием, после прекращения этого воздействия.

В области упругих деформаций связь между напряжением  и деформацией  описывается законом Гука:

 = Е  

Коэффициент пропорциональности Е называется модулем нормальной упругости или модулем Юнга.

Подобно модулю нормальной упругости вводят и модуль сдвига G:

G =  / g.

где  — касательное напряжение, g — относительный сдвиг.

Модуль нормальной упругости и модуль сдвига являются константами материала и характеризуют его жёсткость — свойство материала сопротивляться упругим деформациям. Металлы с большим модулем Е обладают и большим G.

Модуль нормальной упругости металла незначительно зависит от температуры (при увеличении температуры на 100 °С Е уменьшается на 2–4 %).

Легирующие элементы обычно мало влияют на величину Е но в ряде случаев с их помощью можно повысить или понизить Е на 10–20%. Например, добавка кремния в алюминиевые сплавы и вольфрама в стали приводит к увеличению Е.

Скорость деформации не оказывает влияния на значения величин Е и G. Упругая деформация распространяется со скоростью звука. Величина модуля Юнга характе-ризует возможности использования материала при больших напряжениях.

С упругими свойствами металла связано понятие теоретической прочности — напряжения, при котором разрушение наступает в результате мгновенного разрыва межатомных связей, причём металл деформируется только упруго без проявления пластичности. Согласно расчётам теоретическая прочность

_теор = Е / 5.

Теоретическое критическое скалывающее напряжение

_кр = G / 4.

В настоящее время получены очень тонкие (1–2 мкм) нитевидные кристаллы — "усы", прочность которых сравнима с теоретической.