2.2. Механические свойства и методы их определения

Механические свойства материалов определяют на специальных образцах. В зависимости от условий приложения нагрузки различа­ют статические и динамические испытания. При статических испы­таниях нагрузка прилагается медленно и плавно возрастает. При динамических — она прилагается с высокой скоростью. Испытания могут выполняться при нормальной (комнатной) или повышенной температуре.

Наиболее распространенными механическими характеристика­ми являются: твердость, пределы прочности и упругости, ударная вязкость. Определяют также предел выносливости и предел ползучести.

Предел прочности определяют в испытаниях на растяжение, сжатие, кручение и изгиб.

Механическими называют свойства материала, определяющие его сопротив­ление действию внешних механических нагрузок.

Прочность металла при статическом нагружении - это свойство, опре­деляющее его способность сопротивляться деформации и разрушению. Стан­дартными характеристиками прочности являются предел упругости, предел теку­чести и временное сопротивление.

Пределом упругости называют напряжение, при котором пласти­ческая деформация достигает заданной малой величины, установленной усло­виями (например 0,005 % - σ_0,005).

Предел текучести (условный) - это напряжение, которому соответ­ствует пластическая деформация 0,2 % (σ_0,2). Предел текучести физический уста­навливают по диаграмме растяжения, если на ней есть площадка текучести.

Временное сопротивление (σ_в) характеризует максимальное на­пряжение, предшествующее разрушению образца. Различают напряжения услов­ные и истинные. Условным напряжением называют отношение величины нагруз­ки к исходному сечению образца; истинным - к сечению, которое образец приоб­рел к моменту достижения данной нагрузки. Диаграммы растяжения пластичных металлов с условными напряжениями отличаются от диаграмм с истинными на­пряжениями.

Конструктивную прочность материала характеризует комплекс механиче­ских свойств, обеспечивающих надежную и длительную работу в условиях экс­плуатации. Конструктивная прочность определяется критериями прочности, на­дежности и долговечности.

Твердость характеризует свойство поверхностного слоя материала оказы­вать сопротивление упругой и пластической деформации при местных контакт­ных воздействиях.

Удельные механические свойства (удельная прочность, удельная жесткость) характеризуют эффективность материалов по массе и представляют собой отно­шение соответствующих характеристик материала к его плотности.

Жаропрочные материалы характеризуются длительной прочностью и пол­зучестью. Под пределом длительной прочности понимают напряжение, вызы­вающее разрушение материала при заданной температуре за определенное время. Пределом ползучести называют напряжение, вызывающее заданную скорость деформации при заданной температуре.

Надежностью называют способность материала противостоять хрупкому разрушению. Важными критериями надежности являются пластичность (относи­тельное удлинение - δ, относительное сужение - ψ), вязкость разрушения (К_1с), ударная вязкость (КCU, КCV, KCY), хладноломкость.

δ и ψ характеризуют изменения геометрических параметров стандартных образцов при напряжении, вызывающем разрушение.

Кi_c показывает какой интенсивности достигает напряжение вблизи вершины трещины в момент разрушения.

Ударная вязкость - это сопротивление разрушению при динамиче­ских нагрузках.

Хладноломкость определяет влияние снижения температуры на склонность материала к хрупкому разрушению. Порог хладноломкости характе­ризуется температурой или интервалом температур перехода металла в хрупкое состояние. Хрупкий излом имеет кристаллическое строение. Обычно в изломе можно видеть форму и размер зерен, так как излом происходит без значительной пластической деформации и зерна при разрушении металла не искажаются.

Долговечностью называют способность материала детали сопротивляться развитию постепенного разрушения, обеспечивая ее работоспособность в течение заданного времени.

Одним из критериев долговечности является выносливость, под которой понимают способность материала сопротивляться усталости, или постепенному накоплению повреждений под действием циклически повторяющихся нагрузок. Выносливость зависит от живучести, определяющей продолжительность работы детали от момента зарождения первой макроскопической трещины усталости (размером 0,5 ... 1,0 мм) до разрушения. Усталостный излом всегда имеет две зоны разрушения: усталостную зону предварительного разрушения с мелкозер­нистым, часто ступенчато-слоистым строением, иногда с отдельными участками блестящей поверхности, и зону долома, носящую характер вязкого или хрупкого разрушения.

При циклическом нагружении разрушение начинается в местах концентра­ции напряжений (деформации), локализующихся на различного рода поврежде­ниях поверхностного слоя. Поверхностное упрочнение (химико-термическая об­работка, поверхностная закалка, пластическое деформирование) эффективно снижает роль концентраторов, затрудняя деформацию поверхности деталей.