1.3. Механические свойства

Основными механическими свойствами являются прочность, твердость, упругость, пластичность, ударная вязкость, усталостная прочность (выносливость). Внешние нагрузки вызывают в твёрдых телах деформации, связанные с изменением формы и объёма. Основные характеристики прочности и пластичности определяют при испытаниях на растяжение, которые производят с записью диаграмм деформирования в координатах F,­ l, где F – сила,  l = l₁ ­­­­­­­­–­­ l₀ – абсолютное удлинение. Для определения характеристик прочности используют особые точки (А, B, D) диаграммы деформирования, представленной на рис. 1.6. Так как нагрузки и деформации, соответствующие этим точкам, зависят от размеров образца, то для получения характеристик прочности переходят к относительным координатам, которыми являются напряжения  и относительные деформации .

где – начальная и текущая длины цилиндрической части образца;

А₀ – площадь поперечного сечения образца, подвергаемого растяжению.

Р ис. 1.6. Диаграмма растяжения мягкой стали

Прочность – это способность твердого тела сопротивляться деформации или разрушению под действием статических или динамических сил.

Характеристики прочности, определяемые испытанием на растяжение стандартных образцов:

_у – предел упругости – максимальное напряжение, ограничивающее область , когда деформации и напряжения связаны между собой линейной зависимостью , которая называется законом Гука, где Е – модуль нормальной упругости. Деформации, подчиняющиеся закону Гука, называют упругими, они исчезают при снятии нагрузки. При напряжениях, превышающих предел упругости, возникают упругопластические деформации. Часть общей деформации, которая не исчезает при снятии нагрузки, является пластической. Напомним, что появление пластической деформации связано с разрывом межатомных связей и перемещением дислокаций.

_Т – предел текучести, это напряжение, при котором материал деформируется пластически без увеличения нагрузки и на диаграмме появляется горизонтальная площадка (площадка текучести). Его называют физическим пределом текучести. В случае, если у материала площадка текучести отсутствует, принято определять условный предел текучести, соответствующий допуску 0,2 % на остаточную пластическую деформацию, который обозначается _0,2 .

_р  прочность, полученная при разрыве элемента.

_В – предел прочности (временное сопротивление) соответствует максимальной нагрузке, которую выдерживает образец до разрушения.

Разрушение – нарушение сплошности металла. В точке Е происходит разрушение образца, т. е. разделение на две несвязанные между собой части.

Одной из основных характеристик пластичности материала является полное относительное удлинение при разрыве:

,

где l_к – длина образца после разрыва, l_o – первоначальная длина. Заметим, что  равняется величине отрезка 0e на рис. 1.6, за вычетом упругой деформации.

Твердость – это способность материала сопротивляться внедрению в него другого значительно более твердого тела, которое называется индентором.

По методу Бринелля, индентором является стальной закаленный шарик (рис. 1.7, а). Число твёрдости, по Бринеллю, обозначается HB и может рассчитываться по формуле НВ = F/А_отп., где F – стандартное усилие, А_отп. – площадь поверхности сферического отпечатка. Однако чаще число твердости HB определяется по диаметру отпечатка с помощью таблиц.

а б

Рис. 1.7. Схемы измерения твердости:

а – методом Бринелля; б – методом Роквелла

Согласно методу Роквелла (рис. 1.7, б), в испытуемую поверхность могут вдавливаться различные инденторы. Для твёрдых закалённых сталей используют алмазный конус с углом при вершине 120, для незакалённых сталей и цветных металлов применяют стальной шарик малого диаметра. Число твердости определяется непосредственно по шкалам прибора после снятия основной нагрузки F, как величина, обратно пропорциональная глубине вдавливания h–h₀. При использовании конуса число твёрдости обозначается HRA (F = 0,6 кН) или HRC (F = 1,5 кН). При использовании шарика число твёрдости обозначается HRВ (F = 1 кН).

Для надёжной работы материала в разнообразных условиях необходимо оптимальное сочетание параметров прочности и пластичности. Это сочетание зависит от условий работы детали (статические и динамические нагрузки, изнашивание под действием сил трения, циклическое приложение нагрузки) и может регулироваться в широких пределах изменением химического состава и структуры материала.