Механические свойства материала

Механи́ческие сво́йства материа́ла (англ. mechanical properties of materials) — совокупность показателей, характеризующих способность материала сопротивляться нагрузкам, действующим на него, и его способность к деформированию при этом, а также особенности его поведения в процессе разрушения.

Общие понятия

Единицы измерения

Механические свойства материала могут измеряться напряжениями (обычно в МПа или МН/м²), относительными деформациями (в %), удельной работой деформирования и разрушения (обычно в МДж/м²), скоростью развития процесса разрушения при статических или циклических нагрузках (преимущественно в мм/с или в мм за 1000 циклов повторения нагружения, мм/кцикл). Механические свойства материала определяются при механических испытаниях образцов различной формы в условиях различных способов нагружения.

Виды нагрузок

В общем случае материалы в конструкциях могут подвергаться различным по виду нагрузкам, вызывающим появление различных видов деформаций: растяжения, сжатия, изгиба, кручения, сдвига и т. д. или их совокупности. Разнообразны и условия эксплуатации материалов по температуре, виду окружающей среды, скорости приложения нагрузки и закону её изменения во времени. Поэтому существует много показателей механических свойств и, соответственно, много методов механических испытаний. Для металлов и конструкционных пластмасс наиболее распространёнными являются испытания на растяжение, твёрдость, изгиб и ударный изгиб; хрупкие конструкционные материалы (например, стекло, керамику, металлокерамику) преимущественно испытывают на сжатие и статический изгиб; механические свойства композиционных материалов важно оценивать также в условиях испытаний на сдвиг или кручение.

Свойства материалов при статическом нагружении

Диаграммы деформирования и вид образцов после разрушения хрупкого (brittle) и пластичного (ductile) материалов

Диаграмма деформирования

Общеизвестно, что приложенная нагрузка к образцу из исследуемого материала вызывает появление в нём деформации. Взаимосвязь нагрузки и деформации описывается так называемой машинной диаграммой деформирования. Сначала деформация образца (при растяжении — прирост длины Δl) пропорциональна возрастающей нагрузке P, далее в определённой точке эта пропорциональность нарушается, однако для увеличения деформации необходимо дальнейшее возрастание нагрузки Р; при Δl>Δl_в деформация развивается при постепенном спаде нагрузки и завершается разрушением образца.

Оценивание сопротивления материала деформированию механическими напряжениями, характеризующими нагрузку, приходящуюся на единицу площади поперечного сечения образца, является более удобным и в большей степени универсальным.

Вид диаграммы деформирования не изменится, если по оси ординат откладывать напряжения

$\sigma ={\frac {P}{A_{0}}},$

а по оси абсцисс — относительное удлинение

$\varepsilon ={\frac {\Delta l}{l_{0}}}\cdot 100\%,$

где A₀ і l₀ — соответственно начальная площадь поперечного сечения и расчётная длина образца. Диаграмма деформирования, полученная таким способом, называется условной диаграммой деформирования, поскольку условно считается, что площадь поперечного сечения является постоянной в процессе испытания.

На основе такой диаграммы для металлических материалов определяют следующие механические характеристики:

• предел пропорциональности;
• предел текучести;
• предел упругости;
• предел прочности.

Для хрупких материалов разрушение (предел прочности) достигается раньше других пределов, поэтому первые три понятия из четырёх приведённых выше для хрупких материалов теряют смысл.

У конструкционных неметаллических материалов (пластмассы, резины) приложенная нагрузка может вызывать упругую, высокоэластическую и остаточную деформации. В отличие от упругой, высокоэластическая деформация исчезает не сразу после разгрузки, а в течение определённого времени.

 → Диаграмма деформирования

Упругие свойства

В упругой области напряжение и деформация связаны коэффициентом пропорциональности. При растяжении

$\sigma =E\varepsilon ,$

где Е — модуль Юнга, численно равный тангенсу угла наклона прямолинейного участка кривой $\sigma =\sigma (\varepsilon )$ к оси деформаций.

При испытаниях на растяжение цилиндрического или плоского образца одноосному напряжённому состоянию соответствует трёхосное деформированное состояние. Соотношение между поперечной и продольной деформациями (коэффициент Пуассона) в пределах упругости для основных конструкционных материалов находится в достаточно узких пределах (μ = 0,27…0,3 для сталей, μ = 0,3…0,33 для алюминиевых сплавов). Коэффициент Пуассона является одной из основных расчётных характеристик. Когда известны μ и E, можно расчётным методом определить модуль сдвига и модуль объёмной упругости:

$G={\frac {E}{2(1+\mu )}}$; $K={\frac {E}{3(1-2\mu )}}$, соответственно.

Сопротивление пластическому деформированию

При нагрузках, превышающих предел упругости, наряду с возрастающей упругой деформацией появляется заметная необратимая пластическая деформация. Напряжение, при котором остаточная относительная деформация при растяжении достигает заданной величины (обычно 0,2%), называется условным пределом текучести и обозначается σ_0,2.

Кривая растяжения конструкционных металлов может иметь максимум или обрываться при достижении наибольшей нагрузки Рв. Отношение

$\sigma _{B}={\frac {P_{B}}{A_{0}}}$

характеризует предел прочности (временное сопротивление) материала. При наличии максимума на кривой растяжения в области деформаций, меньших деформаций, соответствующих максимуму, образец деформируется равномерно по всей расчётной длине l₀, сохраняя свою форму. На участке диаграммы для деформации, превышающей деформацию для максимума, форма образца претерпевает изменение, вызываемое появлением «шейки» и сосредоточением деформирования в отдельном месте образца. Уменьшение сечения в шейке с избытком компенсирует рост сопротивления от деформационного упрочнения материала, что и обусловливает спад нагрузки на этом участке.

У многих конструкционных материалов сопротивление пластической деформации в упруго-пластической области при растяжении и сжатии практически одинаково. Для некоторых металлов и сплавов (например, магниевые сплавы, высокопрочные стали) наблюдаются существенные различия по этой характеристике при растяжении и сжатии.

Пластичность при

• растяжении конструкционных материалов оценивается относительным удлинением или относительным сужением после разрыва;
• сжатии — укорочением;
• кручении — предельным углом закручивания рабочей части образца или относительным сдвигом.

Сопротивление пластическому деформированию часто (при контроле качества продукции, результатов термической обработки и т. д.) оценивается по результатам испытаний на твёрдость путём вдавливания твёрдого наконечника в форме шарика (твёрдость по Бринеллю или Роквеллу), конуса (твёрдость по Роквеллу) или пирамиды (твёрдость по Виккерсу). Испытания на твёрдость не требуют нарушения целостности детали и поэтому являются самым массовым средством контроля механических свойств.

Образец из алюминиевого сплава после вязкого разрушения

Файл:Cast iron tensile test.JPG

Образец из чугуна после хрупкого разрушения

Файл:CompactTensionSpecimen.svg

Конструкция образца с боковым надрезом для исследования трещиностойкости в условиях хрупкого разрушения

Разрушение материалов

 → Разрушение (механика)

Характеристики вязкого разрушения

Конечная ордината диаграммы деформирования характеризует сопротивление разрушению материала, которое определяется как

$\sigma _{K}={\frac {P_{K}}{A_{K}}},$

где A_K — фактическая площадь образца в месте разрыва.

Разрушение происходит не мгновенно (в точке K), а развивается во времени, причём начало разрушения может соответствовать некоторой промежуточной точке. Расположение точки K на диаграмме деформирования в значительной степени определяется механической жёсткостью испытательной машины и инерционностью измерительной системы. Это делает величину σ_K в определённой степени условной. Многие виды конструкционных материалов (стали, в том числе высокопрочные, жаропрочные хромоникелевые сплавы, мягкие алюминиевые сплавы и т. д.) разрушаются при растяжении после значительной пластической деформации с образованием шейки. Часто (например, у высокопрочных алюминиевых сплавов) поверхность разрушения располагается под углом приблизительно 45° к направлению усилия растяжения.

Характеристики хрупкого разрушения

При определённых условиях (например, при испытании хладноломких сталей в жидком азоте или водороде, при воздействии растягивающих напряжений и коррозионной среды для металлов, склонных к коррозии под напряжением) разрушение происходит по сечениям, перпендикулярным силе растяжения (прямой излом), без макропластической деформации.

Прочность материалов, реализуемая в элементах конструкций, зависит не только от механических свойств самого материала, но и от формы и размеров детали; упругой энергии, накопленной в нагруженной конструкции; характера воздействия нагрузки; схемы приложения внешних сил; рабочей температуры и т. д., которые все в комплексе обусловливают так называемую конструкционную прочность.

Зависимость прочности и пластичности металлов от формы детали характеризуется так называемой чувствительностью к надрезу, которая обычно оценивается отношением пределов прочности надрезанного и гладкого образцов. У цилиндрических образцов надрез обычно выполняют в виде круговой выточки, у полос — в виде отверстия на оси полосы или боковых вырезов. Для многих конструкционных материалов это отношение при статическом нагружении больше единицы, что связано со значительной местной пластической деформацией у вершины надреза. Чем острее надрез, тем меньше зона локальной пластической деформации и больше доля прямого излома в разрушенном сечении. Прямой излом обычно характерен для эксплуатационных разрушений элементов конструкций.

Хрупкое разрушение относительно легко поддаётся количественному анализу. Для идеально хрупкого разрушения упругого тела, когда пластическая деформация полностью отсутствует, широко используется критерий Гриффитса

$\sigma ={\sqrt {\frac {2E\gamma }{\pi c}}},$

где σ — наименьшее растягивающее напряжение, необходимое для распространения хрупкой трещины; Е — модуль Юнга; γ — поверхностная энергия стенок трещины, отнесённая к единице её площади; с — половина длины трещины.

Характеристики материалов при ударных нагрузках

Файл:Mouton charpy.JPG

Конструкция образца с надрезом и установка для испытаний материалов в условиях ударного изгиба

Для оценки качества металла распространены испытания на ударный изгиб призматических образцов, имеющих с одной стороны надрез.

При этом определяют ударную вязкость (в кгс×м/см² или МДж/м²) — работу деформации и разрушения образца, условно приходящуюся на единицу площади поперечного сечения образца в месте надреза.

Временная зависимость прочности

С увеличением времени действия нагрузки сопротивление пластической деформации и сопротивление разрушению снижаются. При комнатной температуре у металлов это становится особенно заметным при воздействии коррозионной (коррозия под напряжением) или другой активной среды (эффект Ребиндера). При высоких температурах наблюдается явление ползучести — прирост пластической деформации со временем при постоянном напряжении.

Сопротивление металлов ползучести оценивают условным пределом ползучести — чаще всего напряжением, при котором пластическая деформация за 100 часов достигнет значения 0,2%, и обозначают его σ_0,2/100. Чем выше температура t, тем в большей степени проявляется ползучесть и сокращается время сопротивления разрушению материала. Последнее свойство характеризуется пределом длительной прочности — напряжением, которое при данной температуре вызывает разрушение материала за заданное время.

С ползучестью связано и другое важное механическое свойство материалов — склонность к релаксации напряжений, то есть к постепенному снижению напряжения в условиях, когда суммарная деформация является постоянной. Релаксация напряжений обусловлена ростом доли пластической составляющей деформации за счёт уменьшения упругой.

Прочность при циклических нагрузках

Если на материал действует нагрузка, периодически изменяющаяся по какому-либо закону (например, синусоидальному), то с увеличением числа циклов N нагрузки его прочность уменьшается — материал испытывает усталость. Для конструкционной стали такое уменьшение прочности наблюдается до N = (2…5) ×10⁶ циклов. Согласно этому, свойство материала работать в условиях циклических нагрузок характеризуется пределом выносливости — максимальным по абсолютному значению напряжением цикла, при котором ещё не происходит разрушение от усталости в течение заданного количества циклов нагружения, которое называют базой испытаний (N₀).

Сопротивление усталости зависит также от частоты приложения нагрузки. Сопротивление материалов в условиях низкой частоты и высоких значений повторной нагрузки (малоцикловая усталость) не связано однозначно с пределом выносливости. При повторно-переменных нагрузках всегда проявляется чувствительность к надрезу, то есть предел выносливости при наличии надреза меньше предела выносливости гладкого образца. В процессе циклических нагрузок можно выделить период, предшествующий образованию очага усталостного разрушения в виде трещины, и следующий за ним, иногда довольно длительный, период развития усталостной трещины. Чем медленнее развивается трещина, тем надёжнее работает материал в конструкции.

Различают сопротивление термической усталости, когда в материале появляются напряжения, обусловленные тем, что в силу тех или иных причин, например из-за формы детали или условий её закрепления, при циклическом изменении температуры тепловые перемещения, возникающие при этом, не могут быть реализованы. Сопротивление термической усталости зависит и от многих других свойств материала — коэффициентов теплового расширения и температуропроводности, модулей упругости, предела упругости и т. д.

Литература

• ДСТУ EN 10002-1:2006 Металеві матеріали. Випробування на розтяг. Частина 1. Метод випробування при кімнатній температурі (EN 10002-1:2001, IDT).
• ДСТУ EN 10002-5:2006 Матеріали металеві. Випробування на розтяг. Частина 5. Метод випробування за підвищених температур (EN 10002-5:1991, IDT).
• Опір матеріалів. Підручник /Г. С. Писаренко, О. Л. Квітка, Е. С. Уманський. За ред. Г. С. Писаренка — К.: Вища школа,1993.  — 655 с. — ISBN 5-11-004083-4
• Механические свойства конструкционных материалов при сложном напряженном состоянии: Справ. / А. А. Лебедев, Б. И. Ковальчук, Ф. Ф. Гигиняк, В. П. Ламашевский; НАН Украины. Ин-т пробл. прочности им. Г. С. Писаренко. — 3-е изд., перераб. и доп.. — К.: Издат. дом «Ин Юре», 2003. — 539 с. — ISBN 966-8088-36-0
• Фридман Я. Б. Механические свойства металлов: в 2 ч. — 3-е изд. — Ч. 2: Механические испытания. Конструкционная прочность. — М.: Машиностроение, 1974. — 368 с.рус.
• Золотаревский В. С. Механические свойства металлов. / Золотаревский В. С. — М. : Металлургия, 1983. — 184 с.
• Методы испытания, контроля и исследования машиностроительных материалов [Текст]. В 3-х т. ; под ред. А. Т. Туманова. // Т. 2. Методы исследования механических свойств металлов. М.: Машиностроение, 1974. — 320 с. рус.

Одним из источников, использованных при создании данной статьи, является статья из википроекта «Руниверсалис» («Руни», руни.рф) под названием «Механические свойства материала», расположенная по адресу: — https://руни.рф/index.php/Механические_свойства_материала Материал указанной статьи полностью или частично использован в Циклопедии по лицензии CC BY-SA. Всем участникам Руниверсалиса предлагается прочитать «Обращение к участникам Руниверсалиса» основателя Циклопедии и «Почему Циклопедия?».